universidad central del ecuador facultad de …€¦ · los derechos que como autor y titular me...
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA
CARRERA DE INGENIERIacuteA QUIacuteMICA
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
Trabajo de titulacioacuten modalidad propuesta tecnoloacutegica para la obtencioacuten del tiacutetulo
de Ingeniero Quiacutemico
Autor David Leonardo Molina Caicedo
Tutor Ing Diego Roberto Flores Ontildea MSc
QUITO
2017
i
DERECHOS DE AUTOR
Yo David Leonardo Molina Caicedo en calidad de autor y titular de los derechos
patrimoniales del trabajo de titulacioacuten modalidad propuesta tecnoloacutegica ldquoDISENtildeO Y
CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO DE UN ESPECTROFOTOacuteMETROrdquo
autorizo a la Universidad Central del Ecuador hacer uso de todos los contenidos que me
pertenecen o parte de los que contiene esta obra con fines estrictamente acadeacutemicos o
de investigacioacuten
Los derechos que como autor y titular me corresponden con excepcioacuten de la presente
autorizacioacuten seguiraacuten vigentes a mi favor de conformidad con lo establecido en los
artiacuteculos 101 108 y 114 y los demaacutes pertinentes del COacuteDIGO ORGAacuteNICO DE LA
ECONOMIacuteA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS CREATIVIDAD E
INNOVACIOacuteN
Asimismo autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalizacioacuten y publicacioacuten de este trabajo de titulacioacuten en el repositorio virtual de
conformidad a lo dispuesto en el Art 144 de la Ley Orgaacutenica de Educacioacuten Superior
El autor declara que la obra objeto de la presente autorizacioacuten es original en su forma de
expresioacuten y no infringe el derecho de autor de terceros asumiendo la responsabilidad por
cualquier reclamacioacuten que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la
Universidad de toda responsabilidad
Firma
_________________________________
David Leonardo Molina Caicedo
CC 172107238-5
ldavid9_hotmailcom
ii
APROBACIOacuteN DEL TUTOR
Yo Diego Roberto Flores Ontildea en calidad de tutor del trabajo de titulacioacuten modalidad
propuesta tecnoloacutegica ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO DE
UN ESPECTROFOTOacuteMETROrdquo elaborado por el estudiante David Leonardo Molina
Caicedo de la Carrera de Ingenieriacutea Quiacutemica Facultad de Ingenieriacutea Quiacutemica de la
Universidad Central del Ecuador considero que el mismo reuacutene los requisitos y meacuteritos
necesarios en el campo metodoloacutegico y en el campo epistemoloacutegico para ser sometido
a la evaluacioacuten por parte del jurado examinador que se designe por lo que lo APRUEBO
a fin de que el trabajo sea habilitado para continuar con el proceso de titulacioacuten
determinado por la Universidad Central del Ecuador
En la ciudad de Quito a los 26 diacuteas del mes de octubre de 2017
________________________________
Ing Diego Roberto Flores Ontildea MSc
CC 1719444026
iii
A Dios por ser mi guiacutea y fortaleza ante toda
adversidad
A mi madre Rosario por ser mi inspiracioacuten
mi motivacioacuten y construir cimientos en mi
vida que me han permitido cumplir mis
metas
A Gabriela Isabella Romina y Felipe por
ser luz en mi vida con su amor e inocencia
A Etelvina y Ulpiano por ser mi ejemplo de
vida
iv
AGRADECIMIENTOS
A Dios por haberme permitido llegar a este punto en compantildeiacutea de las personas maacutes
importantes de mi vida mi familia
Al Ingeniero Diego Flores Ontildea por su calidad humana su tiempo y sus conocimientos
transmitidos a lo largo de la realizacioacuten de este trabajo
Al Ingeniero Ricardo Carrera por su tiempo y ayuda en toda la parte electroacutenica y de
programacioacuten del proyecto
A la MSc Ximena Escobar de la Direccioacuten General Acadeacutemica por su don de gente
imparcialidad y apoyo en todo el proceso de titulacioacuten
A mi madre porque con sus valores su amor y su incansable esfuerzo ha hecho posible
que culmine una etapa maacutes en mi vida significando ella mi maacutes grande motivacioacuten para
seguir adelante y siendo este logro tambieacuten suyo
A mis abuelos Etelvina y Ulpiano quienes a base de su ejemplo encaminaron mi vida y
con su apoyo he podido alcanzar esta meta
Finalmente a toda mi familia por creer en miacute ya que gracias a ellos tambieacuten fue posible
financiar gran parte de este proyecto
v
CONTENIDO
paacuteg
LISTA DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii
LISTA DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix
LISTA DE GRAacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi
LISTA DE ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xii
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiii
ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiv
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
1 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
11 Propiedades de la luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
111 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
12 Espectroscopiacutea UV-Visiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
121 Ley de Lambert-Beerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
122 Absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
123 Espectros de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
13 Espectroscopiacutea de fluorescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
131 Diagramas de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecularhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1321 Relajacioacuten vibracionalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1322 Conversioacuten internahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1323 Cruzamiento entre sistemashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1324 Fluorescencia y Fosforescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
14 Espectros de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
142 Factores que afectan la absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1421 Concentracioacuten del analitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
vi
1422 pH del disolventehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1423 Efecto de polaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
15 Instrumentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
151 Fuente de excitacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
152 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
1521 Redes de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
153 Detectoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
154 Sistema oacutepticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
2 METODOLOGIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
211 Fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
212 Lente condensadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
213 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
214 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
215 Celdas de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
216 Sensorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
217 Tarjeta Programablehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
218 Pantalla LCDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
22 NI LabVIEW 2017helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
23 Pruebas preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
231 Procedimiento en la estructura de pruebahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
232 Calibracioacuten de la redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
223 Interfaz virtualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
31 Caacutelculos y Disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
311 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
3111 Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
312 Caacutelculo de la longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
314 Curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
32 Construccioacuten del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
vii
321 Estructura metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
322 Tapa metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
324 Portamuestrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
325 Rendija y soportes de acriacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3251 Rendijahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3252 Soporte para servomotror y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
326 Elementos electroacutenicoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3261 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3262 Placa para almacenamiento de datoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3263 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3264 Interruptorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3265 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
327 Fuente Switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
328 Coacutedigo de programacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3281 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3282 Fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3283 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3284 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
33 Puesta en marcha del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
34 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
35 Estimacioacuten de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
4 DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44
5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
6 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
CITAS BILBIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
BIBLOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
viii
LISTA DE TABLAS
paacuteg
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbanciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas del servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 12 Datos experimentales ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 13 Datos experimentales ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Tabla 14 Datos experimentales ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
Tabla 15 Resultados de picos de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
i
DERECHOS DE AUTOR
Yo David Leonardo Molina Caicedo en calidad de autor y titular de los derechos
patrimoniales del trabajo de titulacioacuten modalidad propuesta tecnoloacutegica ldquoDISENtildeO Y
CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO DE UN ESPECTROFOTOacuteMETROrdquo
autorizo a la Universidad Central del Ecuador hacer uso de todos los contenidos que me
pertenecen o parte de los que contiene esta obra con fines estrictamente acadeacutemicos o
de investigacioacuten
Los derechos que como autor y titular me corresponden con excepcioacuten de la presente
autorizacioacuten seguiraacuten vigentes a mi favor de conformidad con lo establecido en los
artiacuteculos 101 108 y 114 y los demaacutes pertinentes del COacuteDIGO ORGAacuteNICO DE LA
ECONOMIacuteA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS CREATIVIDAD E
INNOVACIOacuteN
Asimismo autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalizacioacuten y publicacioacuten de este trabajo de titulacioacuten en el repositorio virtual de
conformidad a lo dispuesto en el Art 144 de la Ley Orgaacutenica de Educacioacuten Superior
El autor declara que la obra objeto de la presente autorizacioacuten es original en su forma de
expresioacuten y no infringe el derecho de autor de terceros asumiendo la responsabilidad por
cualquier reclamacioacuten que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la
Universidad de toda responsabilidad
Firma
_________________________________
David Leonardo Molina Caicedo
CC 172107238-5
ldavid9_hotmailcom
ii
APROBACIOacuteN DEL TUTOR
Yo Diego Roberto Flores Ontildea en calidad de tutor del trabajo de titulacioacuten modalidad
propuesta tecnoloacutegica ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO DE
UN ESPECTROFOTOacuteMETROrdquo elaborado por el estudiante David Leonardo Molina
Caicedo de la Carrera de Ingenieriacutea Quiacutemica Facultad de Ingenieriacutea Quiacutemica de la
Universidad Central del Ecuador considero que el mismo reuacutene los requisitos y meacuteritos
necesarios en el campo metodoloacutegico y en el campo epistemoloacutegico para ser sometido
a la evaluacioacuten por parte del jurado examinador que se designe por lo que lo APRUEBO
a fin de que el trabajo sea habilitado para continuar con el proceso de titulacioacuten
determinado por la Universidad Central del Ecuador
En la ciudad de Quito a los 26 diacuteas del mes de octubre de 2017
________________________________
Ing Diego Roberto Flores Ontildea MSc
CC 1719444026
iii
A Dios por ser mi guiacutea y fortaleza ante toda
adversidad
A mi madre Rosario por ser mi inspiracioacuten
mi motivacioacuten y construir cimientos en mi
vida que me han permitido cumplir mis
metas
A Gabriela Isabella Romina y Felipe por
ser luz en mi vida con su amor e inocencia
A Etelvina y Ulpiano por ser mi ejemplo de
vida
iv
AGRADECIMIENTOS
A Dios por haberme permitido llegar a este punto en compantildeiacutea de las personas maacutes
importantes de mi vida mi familia
Al Ingeniero Diego Flores Ontildea por su calidad humana su tiempo y sus conocimientos
transmitidos a lo largo de la realizacioacuten de este trabajo
Al Ingeniero Ricardo Carrera por su tiempo y ayuda en toda la parte electroacutenica y de
programacioacuten del proyecto
A la MSc Ximena Escobar de la Direccioacuten General Acadeacutemica por su don de gente
imparcialidad y apoyo en todo el proceso de titulacioacuten
A mi madre porque con sus valores su amor y su incansable esfuerzo ha hecho posible
que culmine una etapa maacutes en mi vida significando ella mi maacutes grande motivacioacuten para
seguir adelante y siendo este logro tambieacuten suyo
A mis abuelos Etelvina y Ulpiano quienes a base de su ejemplo encaminaron mi vida y
con su apoyo he podido alcanzar esta meta
Finalmente a toda mi familia por creer en miacute ya que gracias a ellos tambieacuten fue posible
financiar gran parte de este proyecto
v
CONTENIDO
paacuteg
LISTA DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii
LISTA DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix
LISTA DE GRAacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi
LISTA DE ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xii
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiii
ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiv
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
1 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
11 Propiedades de la luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
111 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
12 Espectroscopiacutea UV-Visiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
121 Ley de Lambert-Beerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
122 Absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
123 Espectros de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
13 Espectroscopiacutea de fluorescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
131 Diagramas de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecularhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1321 Relajacioacuten vibracionalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1322 Conversioacuten internahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1323 Cruzamiento entre sistemashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1324 Fluorescencia y Fosforescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
14 Espectros de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
142 Factores que afectan la absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1421 Concentracioacuten del analitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
vi
1422 pH del disolventehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1423 Efecto de polaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
15 Instrumentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
151 Fuente de excitacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
152 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
1521 Redes de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
153 Detectoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
154 Sistema oacutepticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
2 METODOLOGIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
211 Fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
212 Lente condensadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
213 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
214 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
215 Celdas de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
216 Sensorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
217 Tarjeta Programablehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
218 Pantalla LCDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
22 NI LabVIEW 2017helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
23 Pruebas preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
231 Procedimiento en la estructura de pruebahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
232 Calibracioacuten de la redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
223 Interfaz virtualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
31 Caacutelculos y Disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
311 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
3111 Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
312 Caacutelculo de la longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
314 Curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
32 Construccioacuten del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
vii
321 Estructura metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
322 Tapa metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
324 Portamuestrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
325 Rendija y soportes de acriacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3251 Rendijahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3252 Soporte para servomotror y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
326 Elementos electroacutenicoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3261 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3262 Placa para almacenamiento de datoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3263 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3264 Interruptorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3265 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
327 Fuente Switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
328 Coacutedigo de programacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3281 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3282 Fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3283 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3284 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
33 Puesta en marcha del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
34 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
35 Estimacioacuten de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
4 DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44
5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
6 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
CITAS BILBIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
BIBLOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
viii
LISTA DE TABLAS
paacuteg
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbanciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas del servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 12 Datos experimentales ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 13 Datos experimentales ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Tabla 14 Datos experimentales ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
Tabla 15 Resultados de picos de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
ii
APROBACIOacuteN DEL TUTOR
Yo Diego Roberto Flores Ontildea en calidad de tutor del trabajo de titulacioacuten modalidad
propuesta tecnoloacutegica ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO DE
UN ESPECTROFOTOacuteMETROrdquo elaborado por el estudiante David Leonardo Molina
Caicedo de la Carrera de Ingenieriacutea Quiacutemica Facultad de Ingenieriacutea Quiacutemica de la
Universidad Central del Ecuador considero que el mismo reuacutene los requisitos y meacuteritos
necesarios en el campo metodoloacutegico y en el campo epistemoloacutegico para ser sometido
a la evaluacioacuten por parte del jurado examinador que se designe por lo que lo APRUEBO
a fin de que el trabajo sea habilitado para continuar con el proceso de titulacioacuten
determinado por la Universidad Central del Ecuador
En la ciudad de Quito a los 26 diacuteas del mes de octubre de 2017
________________________________
Ing Diego Roberto Flores Ontildea MSc
CC 1719444026
iii
A Dios por ser mi guiacutea y fortaleza ante toda
adversidad
A mi madre Rosario por ser mi inspiracioacuten
mi motivacioacuten y construir cimientos en mi
vida que me han permitido cumplir mis
metas
A Gabriela Isabella Romina y Felipe por
ser luz en mi vida con su amor e inocencia
A Etelvina y Ulpiano por ser mi ejemplo de
vida
iv
AGRADECIMIENTOS
A Dios por haberme permitido llegar a este punto en compantildeiacutea de las personas maacutes
importantes de mi vida mi familia
Al Ingeniero Diego Flores Ontildea por su calidad humana su tiempo y sus conocimientos
transmitidos a lo largo de la realizacioacuten de este trabajo
Al Ingeniero Ricardo Carrera por su tiempo y ayuda en toda la parte electroacutenica y de
programacioacuten del proyecto
A la MSc Ximena Escobar de la Direccioacuten General Acadeacutemica por su don de gente
imparcialidad y apoyo en todo el proceso de titulacioacuten
A mi madre porque con sus valores su amor y su incansable esfuerzo ha hecho posible
que culmine una etapa maacutes en mi vida significando ella mi maacutes grande motivacioacuten para
seguir adelante y siendo este logro tambieacuten suyo
A mis abuelos Etelvina y Ulpiano quienes a base de su ejemplo encaminaron mi vida y
con su apoyo he podido alcanzar esta meta
Finalmente a toda mi familia por creer en miacute ya que gracias a ellos tambieacuten fue posible
financiar gran parte de este proyecto
v
CONTENIDO
paacuteg
LISTA DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii
LISTA DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix
LISTA DE GRAacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi
LISTA DE ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xii
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiii
ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiv
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
1 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
11 Propiedades de la luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
111 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
12 Espectroscopiacutea UV-Visiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
121 Ley de Lambert-Beerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
122 Absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
123 Espectros de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
13 Espectroscopiacutea de fluorescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
131 Diagramas de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecularhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1321 Relajacioacuten vibracionalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1322 Conversioacuten internahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1323 Cruzamiento entre sistemashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1324 Fluorescencia y Fosforescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
14 Espectros de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
142 Factores que afectan la absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1421 Concentracioacuten del analitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
vi
1422 pH del disolventehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1423 Efecto de polaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
15 Instrumentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
151 Fuente de excitacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
152 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
1521 Redes de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
153 Detectoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
154 Sistema oacutepticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
2 METODOLOGIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
211 Fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
212 Lente condensadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
213 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
214 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
215 Celdas de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
216 Sensorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
217 Tarjeta Programablehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
218 Pantalla LCDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
22 NI LabVIEW 2017helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
23 Pruebas preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
231 Procedimiento en la estructura de pruebahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
232 Calibracioacuten de la redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
223 Interfaz virtualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
31 Caacutelculos y Disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
311 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
3111 Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
312 Caacutelculo de la longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
314 Curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
32 Construccioacuten del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
vii
321 Estructura metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
322 Tapa metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
324 Portamuestrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
325 Rendija y soportes de acriacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3251 Rendijahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3252 Soporte para servomotror y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
326 Elementos electroacutenicoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3261 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3262 Placa para almacenamiento de datoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3263 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3264 Interruptorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3265 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
327 Fuente Switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
328 Coacutedigo de programacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3281 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3282 Fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3283 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3284 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
33 Puesta en marcha del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
34 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
35 Estimacioacuten de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
4 DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44
5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
6 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
CITAS BILBIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
BIBLOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
viii
LISTA DE TABLAS
paacuteg
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbanciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas del servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 12 Datos experimentales ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 13 Datos experimentales ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Tabla 14 Datos experimentales ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
Tabla 15 Resultados de picos de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
iii
A Dios por ser mi guiacutea y fortaleza ante toda
adversidad
A mi madre Rosario por ser mi inspiracioacuten
mi motivacioacuten y construir cimientos en mi
vida que me han permitido cumplir mis
metas
A Gabriela Isabella Romina y Felipe por
ser luz en mi vida con su amor e inocencia
A Etelvina y Ulpiano por ser mi ejemplo de
vida
iv
AGRADECIMIENTOS
A Dios por haberme permitido llegar a este punto en compantildeiacutea de las personas maacutes
importantes de mi vida mi familia
Al Ingeniero Diego Flores Ontildea por su calidad humana su tiempo y sus conocimientos
transmitidos a lo largo de la realizacioacuten de este trabajo
Al Ingeniero Ricardo Carrera por su tiempo y ayuda en toda la parte electroacutenica y de
programacioacuten del proyecto
A la MSc Ximena Escobar de la Direccioacuten General Acadeacutemica por su don de gente
imparcialidad y apoyo en todo el proceso de titulacioacuten
A mi madre porque con sus valores su amor y su incansable esfuerzo ha hecho posible
que culmine una etapa maacutes en mi vida significando ella mi maacutes grande motivacioacuten para
seguir adelante y siendo este logro tambieacuten suyo
A mis abuelos Etelvina y Ulpiano quienes a base de su ejemplo encaminaron mi vida y
con su apoyo he podido alcanzar esta meta
Finalmente a toda mi familia por creer en miacute ya que gracias a ellos tambieacuten fue posible
financiar gran parte de este proyecto
v
CONTENIDO
paacuteg
LISTA DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii
LISTA DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix
LISTA DE GRAacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi
LISTA DE ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xii
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiii
ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiv
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
1 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
11 Propiedades de la luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
111 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
12 Espectroscopiacutea UV-Visiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
121 Ley de Lambert-Beerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
122 Absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
123 Espectros de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
13 Espectroscopiacutea de fluorescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
131 Diagramas de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecularhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1321 Relajacioacuten vibracionalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1322 Conversioacuten internahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1323 Cruzamiento entre sistemashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1324 Fluorescencia y Fosforescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
14 Espectros de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
142 Factores que afectan la absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1421 Concentracioacuten del analitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
vi
1422 pH del disolventehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1423 Efecto de polaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
15 Instrumentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
151 Fuente de excitacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
152 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
1521 Redes de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
153 Detectoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
154 Sistema oacutepticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
2 METODOLOGIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
211 Fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
212 Lente condensadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
213 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
214 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
215 Celdas de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
216 Sensorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
217 Tarjeta Programablehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
218 Pantalla LCDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
22 NI LabVIEW 2017helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
23 Pruebas preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
231 Procedimiento en la estructura de pruebahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
232 Calibracioacuten de la redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
223 Interfaz virtualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
31 Caacutelculos y Disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
311 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
3111 Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
312 Caacutelculo de la longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
314 Curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
32 Construccioacuten del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
vii
321 Estructura metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
322 Tapa metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
324 Portamuestrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
325 Rendija y soportes de acriacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3251 Rendijahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3252 Soporte para servomotror y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
326 Elementos electroacutenicoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3261 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3262 Placa para almacenamiento de datoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3263 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3264 Interruptorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3265 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
327 Fuente Switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
328 Coacutedigo de programacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3281 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3282 Fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3283 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3284 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
33 Puesta en marcha del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
34 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
35 Estimacioacuten de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
4 DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44
5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
6 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
CITAS BILBIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
BIBLOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
viii
LISTA DE TABLAS
paacuteg
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbanciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas del servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 12 Datos experimentales ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 13 Datos experimentales ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Tabla 14 Datos experimentales ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
Tabla 15 Resultados de picos de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
iv
AGRADECIMIENTOS
A Dios por haberme permitido llegar a este punto en compantildeiacutea de las personas maacutes
importantes de mi vida mi familia
Al Ingeniero Diego Flores Ontildea por su calidad humana su tiempo y sus conocimientos
transmitidos a lo largo de la realizacioacuten de este trabajo
Al Ingeniero Ricardo Carrera por su tiempo y ayuda en toda la parte electroacutenica y de
programacioacuten del proyecto
A la MSc Ximena Escobar de la Direccioacuten General Acadeacutemica por su don de gente
imparcialidad y apoyo en todo el proceso de titulacioacuten
A mi madre porque con sus valores su amor y su incansable esfuerzo ha hecho posible
que culmine una etapa maacutes en mi vida significando ella mi maacutes grande motivacioacuten para
seguir adelante y siendo este logro tambieacuten suyo
A mis abuelos Etelvina y Ulpiano quienes a base de su ejemplo encaminaron mi vida y
con su apoyo he podido alcanzar esta meta
Finalmente a toda mi familia por creer en miacute ya que gracias a ellos tambieacuten fue posible
financiar gran parte de este proyecto
v
CONTENIDO
paacuteg
LISTA DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii
LISTA DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix
LISTA DE GRAacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi
LISTA DE ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xii
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiii
ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiv
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
1 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
11 Propiedades de la luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
111 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
12 Espectroscopiacutea UV-Visiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
121 Ley de Lambert-Beerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
122 Absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
123 Espectros de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
13 Espectroscopiacutea de fluorescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
131 Diagramas de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecularhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1321 Relajacioacuten vibracionalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1322 Conversioacuten internahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1323 Cruzamiento entre sistemashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1324 Fluorescencia y Fosforescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
14 Espectros de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
142 Factores que afectan la absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1421 Concentracioacuten del analitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
vi
1422 pH del disolventehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1423 Efecto de polaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
15 Instrumentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
151 Fuente de excitacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
152 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
1521 Redes de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
153 Detectoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
154 Sistema oacutepticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
2 METODOLOGIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
211 Fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
212 Lente condensadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
213 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
214 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
215 Celdas de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
216 Sensorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
217 Tarjeta Programablehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
218 Pantalla LCDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
22 NI LabVIEW 2017helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
23 Pruebas preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
231 Procedimiento en la estructura de pruebahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
232 Calibracioacuten de la redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
223 Interfaz virtualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
31 Caacutelculos y Disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
311 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
3111 Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
312 Caacutelculo de la longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
314 Curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
32 Construccioacuten del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
vii
321 Estructura metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
322 Tapa metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
324 Portamuestrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
325 Rendija y soportes de acriacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3251 Rendijahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3252 Soporte para servomotror y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
326 Elementos electroacutenicoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3261 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3262 Placa para almacenamiento de datoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3263 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3264 Interruptorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3265 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
327 Fuente Switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
328 Coacutedigo de programacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3281 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3282 Fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3283 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3284 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
33 Puesta en marcha del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
34 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
35 Estimacioacuten de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
4 DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44
5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
6 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
CITAS BILBIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
BIBLOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
viii
LISTA DE TABLAS
paacuteg
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbanciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas del servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 12 Datos experimentales ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 13 Datos experimentales ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Tabla 14 Datos experimentales ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
Tabla 15 Resultados de picos de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
v
CONTENIDO
paacuteg
LISTA DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip viii
LISTA DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip ix
LISTA DE GRAacuteFICOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xi
LISTA DE ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xii
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiii
ABSTRACThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip xiv
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 1
1 MARCO TEOacuteRICOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
11 Propiedades de la luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 3
111 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 4
12 Espectroscopiacutea UV-Visiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
121 Ley de Lambert-Beerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 6
122 Absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 7
123 Espectros de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
13 Espectroscopiacutea de fluorescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 8
131 Diagramas de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 9
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecularhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1321 Relajacioacuten vibracionalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1322 Conversioacuten internahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1323 Cruzamiento entre sistemashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
1324 Fluorescencia y Fosforescenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 10
14 Espectros de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
142 Factores que afectan la absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1421 Concentracioacuten del analitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
vi
1422 pH del disolventehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1423 Efecto de polaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
15 Instrumentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
151 Fuente de excitacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
152 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
1521 Redes de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
153 Detectoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
154 Sistema oacutepticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
2 METODOLOGIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
211 Fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
212 Lente condensadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
213 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
214 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
215 Celdas de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
216 Sensorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
217 Tarjeta Programablehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
218 Pantalla LCDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
22 NI LabVIEW 2017helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
23 Pruebas preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
231 Procedimiento en la estructura de pruebahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
232 Calibracioacuten de la redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
223 Interfaz virtualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
31 Caacutelculos y Disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
311 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
3111 Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
312 Caacutelculo de la longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
314 Curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
32 Construccioacuten del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
vii
321 Estructura metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
322 Tapa metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
324 Portamuestrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
325 Rendija y soportes de acriacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3251 Rendijahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3252 Soporte para servomotror y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
326 Elementos electroacutenicoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3261 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3262 Placa para almacenamiento de datoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3263 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3264 Interruptorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3265 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
327 Fuente Switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
328 Coacutedigo de programacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3281 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3282 Fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3283 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3284 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
33 Puesta en marcha del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
34 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
35 Estimacioacuten de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
4 DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44
5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
6 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
CITAS BILBIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
BIBLOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
viii
LISTA DE TABLAS
paacuteg
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbanciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas del servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 12 Datos experimentales ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 13 Datos experimentales ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Tabla 14 Datos experimentales ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
Tabla 15 Resultados de picos de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
vi
1422 pH del disolventehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
1423 Efecto de polaridadhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
15 Instrumentacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
151 Fuente de excitacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
152 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
1521 Redes de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
153 Detectoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
154 Sistema oacutepticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 15
2 METODOLOGIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
211 Fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
212 Lente condensadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
213 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
214 Monocromadorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
215 Celdas de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
216 Sensorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
217 Tarjeta Programablehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
218 Pantalla LCDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
22 NI LabVIEW 2017helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
23 Pruebas preliminareshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
231 Procedimiento en la estructura de pruebahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 23
232 Calibracioacuten de la redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
223 Interfaz virtualhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
31 Caacutelculos y Disentildeohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
311 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
3111 Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 26
312 Caacutelculo de la longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
314 Curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
32 Construccioacuten del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
vii
321 Estructura metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
322 Tapa metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
324 Portamuestrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
325 Rendija y soportes de acriacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3251 Rendijahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3252 Soporte para servomotror y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
326 Elementos electroacutenicoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3261 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3262 Placa para almacenamiento de datoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3263 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3264 Interruptorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3265 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
327 Fuente Switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
328 Coacutedigo de programacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3281 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3282 Fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3283 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3284 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
33 Puesta en marcha del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
34 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
35 Estimacioacuten de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
4 DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44
5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
6 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
CITAS BILBIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
BIBLOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
viii
LISTA DE TABLAS
paacuteg
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbanciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas del servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 12 Datos experimentales ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 13 Datos experimentales ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Tabla 14 Datos experimentales ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
Tabla 15 Resultados de picos de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
vii
321 Estructura metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
322 Tapa metaacutelicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
324 Portamuestrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
325 Rendija y soportes de acriacutelicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3251 Rendijahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
3252 Soporte para servomotror y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
326 Elementos electroacutenicoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3261 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3262 Placa para almacenamiento de datoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3263 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3264 Interruptorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
3265 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
327 Fuente Switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
328 Coacutedigo de programacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3281 Servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
3282 Fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3283 Releacutehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
3284 Sensor de temperatura LM35helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
33 Puesta en marcha del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
34 Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
35 Estimacioacuten de costoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
4 DISCUSIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 44
5 CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 46
6 RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 48
CITAS BILBIOGRAacuteFICAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 49
BIBLOGRAFIacuteAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 51
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 53
viii
LISTA DE TABLAS
paacuteg
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbanciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas del servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 12 Datos experimentales ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 13 Datos experimentales ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Tabla 14 Datos experimentales ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
Tabla 15 Resultados de picos de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
viii
LISTA DE TABLAS
paacuteg
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitidahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbanciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 12
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas del servomotorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda de cuarzohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de ondahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Tabla 12 Datos experimentales ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Tabla 13 Datos experimentales ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Tabla 14 Datos experimentales ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
Tabla 15 Resultados de picos de absorcioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
ix
LISTA DE FIGURAS
paacuteg
Figura 1 Onda electromagneacutetica polarizada en un planohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
Figura 2 Espectro electromagneacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
Figura 3 Poliacutegono de colores en la regioacuten UV-Vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip5
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materiahelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiantehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8
Figura 7 Diagrama de Jablonskyhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
Figura 8 Regla del espejo de espectroshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 11
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 13
Figura 10 Red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 14
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolingerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125AN)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 13 Servomotor Tower Prohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 17
Figura 14 Red de difraccioacuten adquiridahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 18
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) celda empleadahelliphelliphelliphellip 18
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116Hhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 19
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduinohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 20
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 21
Figura 20 Editor de diagrama de bloques helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 22
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 31
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 32
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 33
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 34
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
x
Figura 27 Rendija en acriacutelico negrohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35
Figura 28 Soporte de servomotor y red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 35
Figura 29 Elementos electroacutenicos del equipohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 36
Figura 30 Conector tipo macho cable de poder y fuente switchinghelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 37
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 38
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 39
Figura 33 Equipo prototipo en operacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 43
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
xi
LISTA DE GRAacuteFICOS
paacuteg
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60helliphellip 24
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimentalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 25
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6Ghelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 28
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 30
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 40
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 41
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash Solucioacuten 3helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 42
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
xii
LISTA DE ANEXOS
paacuteg
ANEXO A Tabla de datos para la calibracioacuten de la red de difraccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphellip 54
ANEXO B Disentildeo en AUTOCAD del equipo y sus componentes internoshelliphelliphelliphellip 55
ANEXO C Diagrama de bloques de programacioacuten e interfaz de operacioacuten en
LabVIEWhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 57
ANEXO D Estimacioacuten de costos del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 59
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
xiii
Disentildeo y construccioacuten de un prototipo de un Espectrofotoacutemetro
RESUMEN
Se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de un Espectrofotoacutemetro que opera en la regioacuten del
espectro ultravioleta cercano y visible (UV-Vis) en un rango de 300 nm a 700 nm y
permite obtener los espectros de absorcioacuten de una moleacutecula
Para lo cual se armaron varias estructuras de prueba del prototipo utilizando componentes
internos adquiridos laacutempara de arco de xenoacuten rejilla de difraccioacuten sensor-detector y
demaacutes componentes eleacutectricos y mecaacutenicos encontrando la maacutes adecuada para que la luz
llegue al sensor con una intensidad oacuteptima Se disentildearon los componentes mecaacutenicos
siguiendo una metodologiacutea de prueba y error para permitir el correcto paso de cada
longitud de onda de la luz irradiada por la laacutempara para finalmente construir el prototipo
y desarrollar la programacioacuten en el software LabVIEW que permita controlar el
servomotor de la rejilla de difraccioacuten y analizar las sentildeales recibidas por el detector Se
calibroacute la red de difraccioacuten mediante la medicioacuten del potencial de tres sustancias capaces
de absorber energiacutea en el rango del espectro visible Rodamina B Rodamina 6G y
Cuacutercuma Con los datos se elaboraron los espectros de absorcioacuten y se los comparoacute con
los espectros obtenidos en un espectrofotoacutemetro comercial obteniendo graacuteficos bastantes
similares concluyeacutendose que el equipo opera satisfactoriamente y constituye una base
para realizar futuras investigaciones
PALABRAS CLAVE ESPECTROFOTOacuteMETRO ESPECTRO DE ABSORCIOacuteN
RED DE DIFRACCIOacuteN DESARROLLO DE PROTOTIPOS
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
xiv
Designing and building a Spectrophotometer prototype
ABSTRACT
A prototype of a Spectrophotometer was designed and built instrument that operates in
the near Ultraviolet and visible regioacuten (UV ndash Vis) in a range between 300 nm and 700
nm and allows to obtain the absorption spectra of a molecule
All of the internal components of the equipment were gathered xenon arc lamp
diffraction grating detector-sensor and other electric and mechanic components to later
build a testing structure where an adequate spacial distribution for the elements was found
to allow the light reach the sensor with optimal intensity The mechanic components were
designed to allow the correct passage of each wavelenght radiated by the lamp to finally
build the equipment and develop the programming in the LabVIEW software that allows
to control the servomotor of the diffraction grating and analize the signal received by the
detector The diffraction grating was calibrated by measuring the potential of three
substances that are capable of absorbing energy within the visible spectra range
Rhodamine B Rhodamine 6G and Turmeric With the data the absorption spectra were
elaborated and then compared with the spectra obtained from a comercial
spectrophotometer generating very similar graphs concluding that the equipment
operates successfully and constitutes the basis to conduct future investigations
PALABRAS CLAVE SPECTROPHOTOMETER ABSORPTION SPECTRA
DIFFRACTION GRATING PROTOTYPE DEVELOPMENT
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
1
INTRODUCCIOacuteN
La luz policromaacutetica compuesta por todas las longitudes de onda que conforman el
espectro visible (350 nm a 800 nm) puede ser absorbida selectivamente por una muestra
dependiendo de su estructura molecular El fotoacuten incidente provoca la transicioacuten de
electrones de un estado de menor a mayor energiacutea este fenoacutemeno se conoce como
absorcioacuten y se produce aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos
Posteriormente dichos electrones regresan a su estado inicial liberando la energiacutea
absorbida mediante diferentes mecanismos producieacutendose una transicioacuten de electrones
de un estado de mayor a menor energiacutea este fenoacutemeno se lo denomina emisioacuten o
relajacioacuten energeacutetica y se produce en un tiempo del orden de 10-9 segundos Si la sustancia
es capaz de liberar espontaacuteneamente dicha radiacioacuten en forma de luz visible
(luminiscencia) los procesos de emisioacuten pueden ser fluorescencia (emisioacuten singlete rarr
singlete) o fosforescencia (emisioacuten triplete rarr singlete) dependiendo de la naturaleza del
estado excitado Asimismo cuando la moleacutecula lleva a cabo un proceso de relajacioacuten
energeacutetica en el que la energiacutea absorbida se libera en forma de radiacioacuten teacutermica el
fenoacutemeno es conocido como conversioacuten interna
La espectrofotometriacutea con el desarrollo tecnoloacutegico se ha convertido en uno de los
meacutetodos instrumentales maacutes utilizados en laboratorios y su uso tanto en investigacioacuten
como en las distintas disciplinas de la ciencia ha ido creciendo Las aplicaciones de esta
teacutecnica van desde la determinacioacuten analiacutetica de trazas de metales en el ambiente a
mediciones de pH a ceacutelulas completas bajo ciertas condiciones fisioloacutegicas El uso de esta
moderna teacutecnica de anaacutelisis radica en su naturaleza no destructiva ademaacutes de que no
requiere grandes cantidades de muestra
El equipo basa su funcionamiento en la capacidad que tienen ciertas moleacuteculas para
absorber energiacutea cuando son irradiadas con luz ultravioleta-visible (UV-Vis) a lo que se
denomina absorbancia Una sustancia puede ser capaz de absorber energiacutea a diferentes
longitudes de onda o puede darse el caso que no absorba nada Esto depende de la
estructura de la moleacutecula para sustancias orgaacutenicas los grupos funcionales
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
2
denominados cromoacuteforos son los responsables de generar el proceso de absorcioacuten
mientras que los auxoacutecromos intensifican dicho proceso Los complejos metaacutelicos
tambieacuten absorben radiacioacuten gracias a la diferencia de energiacutea entre los orbitales de sus
iones complejos Siacute se grafica la absorbancia de la moleacutecula a las diferentes longitudes de
onda del UV-Vis se obtiene un graacutefico llamado espectro de absorcioacuten que es uacutenico para
cada moleacutecula y sirve para identificarla y realizar un anaacutelisis cuantitativo
El espectrofotoacutemetro permite realizar estas mediciones analiacuteticas fundamentadas en la
absorcioacuten de luz Su esquema de funcionamiento es el siguiente La luz proveniente de
una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro monocromador el cual selecciona la
longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz que incide
es absorbida y el resto pasa a traveacutes de la muestra llegando al detector el cual cuantifica
esta energiacutea
En base a estos conceptos se disentildeoacute y construyoacute un prototipo de espectrofotoacutemetro que
cuenta con una laacutempara una rejilla de difraccioacuten un sensor-detector y demaacutes
componentes eleacutectricos y mecaacutenicos y mide el espectro de absorcioacuten de una moleacutecula
mediante el software LabVIEW Este espectro se lo compara con el obtenido de un
espectrofotoacutemetro comercial dando graacuteficos similares Actualmente existen equipos que
funcionan correctamente sin embargo uno de los retos del paiacutes es generar nuestra propia
tecnologiacutea y dando paso pequentildeos a largo plazo se tendraacute un equipo robusto que funcione
igual o mejor que un equipo convencional de una marca conocida
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
3
1 MARCO TEOacuteRICO
La espectroscopiacutea es una teacutecnica analiacutetica conformada por el conjunto de procedimientos
que utilizan la luz para medir concentraciones de compuestos quiacutemicos A continuacioacuten
se presentan los principios baacutesicos para la comprensioacuten de los meacutetodos espectroscoacutepicos
y especiacuteficamente de la espectrofotometriacutea
11 Propiedades de la luz
Por simplicidad es conveniente describir la luz en teacuterminos de partiacuteculas y ondas Estas
ondas estaacuten conformadas por campos eleacutectricos y magneacuteticos que oscilan en planos
perpendiculares entre siacute En la figura 1 el vector E corresponde al campo eleacutectrico
mientras que el vector H representa el campo magneacutetico La distancia entre las crestas de
dos ondas se denomina longitud de onda λ El nuacutemero de oscilaciones completas de una
onda en un segundo se conoce como frecuencia υ La relacioacuten entre frecuencia y longitud
de onda es
υ =c
λ (1)
Doacutende
c es la velocidad de la luz (2998 x 108 ms en el vaciacuteo)
Figura 1 Onda electromagneacutetica de una frecuencia polarizada en un plano
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
4
La velocidad de la luz se ve afectada por el iacutendice de refraccioacuten (n) del medio por el cual
se difunde la luz Asiacute para longitudes de onda en el espectro visible la mayoriacutea de
sustancias tienen ngt1
Desde el punto de vista de energeacutetico a la luz se la conceptualiza como partiacuteculas
llamadas fotones Cada partiacutecula transporta la energiacutea E dada por
E = hυ (2)
Donde h es la constante de Planck (h = 662618 x10-34 Js)
Reemplazando la ecuacioacuten (1) en la (2) se obtiene
E =hc
120582= hcṽ (3)
Donde ṽ es el nuacutemero de onda De esta manera se observa que mientras mayor sea la
longitud de onda menor seraacute su nivel energeacutetico y viceversa
111 Espectro electromagneacutetico El espectro electromagneacutetico estaacute conformado por
varios tipos de radiacioacuten electromagneacutetica como radio microondas infrarroja (IR) luz
visible ultravioleta (UV) rayos X y rayos gamma siendo la regioacuten del espectro visible
la apreciada por el ojo humano y representa tan solo una pequentildea parte del espectro
electromagneacutetico En la figura 2 se pueden apreciar las regiones del espectro
electromagneacutetico con sus respectivos rangos de longitud de onda
Figura 2 Espectro electromagneacutetico
Energiacutea (kJmol)
gt12552 12552-12552 12552 4184x10-2 4184x10-5
Rayos
Gamma Rayos X
Luz
ultravioleta
Luz
visible
Radiacioacuten
infrarroja Microondas
Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1
04
08 102 106 1010
Longitud de onda (m)
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
5
La luz policromaacutetica (blanca) estaacute compuesta por ondas de diferentes longitudes Esto
hace posible que cuando un rayo de esta luz incide sobre un material refractante o un
prisma parte de esa luz sea reflejada y otra sea transmitida con anchos de banda de
diferentes colores Este fenoacutemeno es muy importante en la espectroscopiacutea de absorcioacuten y
emisioacuten ya que a partir de ello es posible predecir en queacute regioacuten del espectro visible una
sustancia coloreada va a absorber radiacioacuten (Ruales 2015)
Cuando una sustancia coloreada absorbe radiacioacuten de un cierto ancho de banda con un
color especiacutefico el color de la luz que se transmite y por tanto que puede ser observada
seraacute el opuesto de color de radiacioacuten que fue absorbida tal como se indica en la figura 3
Figura 3 Poliacutegono de colores de la regioacuten UV-Visible
En la siguiente tabla se muestra la porcioacuten del espectro que fue absorbida (color) y la
porcioacuten del espectro electromagneacutetico que no fue absorbida por la muestra y por tanto es
transmitida a traveacutes de ella y puede ser captada por el ojo humano
Tabla 1 Relacioacuten entre radiacioacuten absorbida y transmitida en una muestra
λ (nm) Color Color complementario
380 ndash 435 Violeta Verde ndash Amarillo
435 ndash 480 Azul Amarillo
480 ndash 490 Azul ndash Verdoso Anaranjado
490 ndash 500 Verde ndash Azulado Rojo
500 ndash 560 Verde Puacuterpura
560 ndash 580 Verde ndash Amarillo Violeta
580 ndash 595 Amarillo Azul
595 ndash 650 Anaranjado Azul ndash Verdoso
650 ndash 780 Rojo Verde - Azulado
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
6
El movimiento de las moleacuteculas al absorber energiacutea depende del tipo de radiacioacuten asiacute las
radiacioacuten microondas estimula el movimiento rotacional la IR (Infrarroja) generan un
movimiento vibracional
Para radiaciones en la regioacuten visible y UV (Ultravioleta) se generan saltos de electrones
a orbitales de mayor energiacutea
Figura 4 Interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica con la materia
12 Espectroscopiacutea UV - Visible
La espectroscopiacutea UV ndash Vis se basa en el anaacutelisis de la cantidad de radiacioacuten
electromagneacutetica en el rango UV-Vis que puede absorber o transmitir una muestra en
funcioacuten de la cantidad de sustancia presente
Esta teacutecnica mide las transiciones energeacuteticas desde el estado basal a uno de mayor
energiacutea y constituye un anaacutelisis complementario a la espectroscopiacutea de fluorescencia
121 Ley de Lambert ndash Beer El fundamento de la espectroscopiacutea estaacute representado
por la ley de Lambert ndash Beer Esta ley establece que la absorbancia de una muestra es
proporcional a la concentracioacuten de la especie que absorbe la luz en la muestra estaacute dada
por la siguiente ecuacioacuten
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
7
A = 휀119887119888 (4)
Doacutende
A = Absorbancia [Adimensional]
ε = coeficiente de absortividad molar [Lmol-1cm-1]
b = longitud de la celda [cm-1]
c = concentracioacuten de la muestra [molL-1]
122 Absorcioacuten de luz Cuando una moleacutecula absorbe un fotoacuten su energiacutea aumenta
por tanto se dice que la moleacutecula ha pasado a un estado excitado Este proceso de
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica tiene lugar en un solo paso y se produce
aproximadamente en un tiempo del orden de 10-15 segundos El estado de miacutenima energiacutea
de una moleacutecula se denomina estado fundamental
Todas las teacutecnicas de anaacutelisis basadas en la absorcioacuten regioacuten UV-Vis suponen que al
hacer incidir un haz de luz sobre una muestra existiraacute una absorcioacuten parcial de esta
radiacioacuten provocando una transicioacuten de electrones entre los niveles energeacuteticos de la
moleacutecula
La variacioacuten de energiacutea ∆E es caracteriacutestico de cada sustancia lo cual proporciona un
anaacutelisis cualitativo de un analito en una muestra particular
Figura 5 Proceso de absorcioacuten de luz
Cuando una muestra absorbe luz provoca la disminucioacuten de la potencia radiante de dicho
haz La luz monocromaacutetica de una sola longitud de onda con potencia radiante P0 incide
sobre una muestra de longitud b Por el lado opuesto emerge un haz de luz
monocromaacutetico con una potencia radiante P
E1
E2 hυ
∆E
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
8
Figura 6 Disminucioacuten de la potencia radiante en una muestra
La transmitancia T se define como la fraccioacuten de luz incidente que pasa a traveacutes de una
muestra Mientras que la cantidad de energiacutea radiante absorbida por una muestra a una
determinada longitud de onda se conoce como absorbancia Esta variable es una cantidad
adimensional Estas dos variables estaacuten representadas y relacionadas matemaacuteticamente
por las siguientes expresiones
T =P
1198750 (5)
A = 11989711990011989210 (P
1198750) = minus log 119879 (6)
123 Espectros de absorcioacuten Un espectro de absorcioacuten es la representacioacuten graacutefica de
la variacioacuten de la cantidad de luz absorbida por una sustancia a diferentes longitudes de
onda el mismo que es especiacutefico para cada cromoacuteforo dependiendo de su estructura
quiacutemica (Ruales 2015) Para una muestra en particular el maacuteximo de absorbancia
obtenido en el espectro de absorcioacuten proporcionaraacute la longitud de onda a la cual se tiene
mayor sensibilidad y eacutesta seraacute la que se utilice en su anaacutelisis espectroscoacutepico
13 Espectroscopiacutea de fluorescencia
La fluorescencia es un proceso de emisioacuten en el cual las moleacuteculas son excitadas por la
absorcioacuten de radiacioacuten electromagneacutetica Las especies excitadas una vez que han
absorbido radiacioacuten se relajan hasta su estado fundamental liberando su exceso de
energiacutea en forma de fotones Aunque es un meacutetodo con mayor sensibilidad que la
b
P0 P
Doacutende
P lt P0
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
9
espectroscopiacutea de absorcioacuten se aplica mucho menos debido al nuacutemero limitado de
sistemas quiacutemicos que pueden fluorescer
131 Diagramas de Jablonsky El tiempo de vida medio de una especie excitada es
muy corto Esto se debe a que existen diversas formas en las cuales un aacutetomo o moleacutecula
excitada liberan su exceso de energiacutea hasta llegar a su estado fundamental
La luminiscencia comprende dos de los diversos procesos por los cuales una moleacutecula
pasa desde un estado excitado hasta un estado de menor energiacutea o a su estado
fundamental mediante la emisioacuten de luz Dependiendo de la naturaleza del estado
excitado el fenoacutemeno de relajacioacuten se puede dar por fluorescencia o fosforescencia
(Lackowicz 2006) Los procesos que ocurren en la absorcioacuten y emisioacuten de luz se ilustran
en el diagrama de Jablonsky (Figura 7)
Figura 7 Diagrama de Jablonsky
Los estados excitados se pueden agrupar en dos categoriacuteas Singlete (S1) y Triplete (T1)
Como se observa en el diagrama el estado singlete excitado estaacute asociado al fenoacutemeno de
fluorescencia Aquiacute el electroacuten en un orbital excitado estaacute apareado a un segundo electroacuten
en un orbital del estado fundamental es decir todos los electrones de la moleacutecula tienen
sus espines apareados De esta manera es posible el proceso de relajacioacuten el cual tiene
lugar mediante la emisioacuten de un fotoacuten (fluorescencia)
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
10
El fenoacutemeno de fluorescencia tiene un tiempo de vida medio de 10-10 a 10-7 segundos Un
estado excitado triplete es aquel en el que su par de electrones tiene sus espines
desapareados es decir el electroacuten en el estado excitado tiene la misma orientacioacuten que el
electroacuten en el estado basal Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la transicioacuten al estado basal de
manera espontaacutenea no es permitida pero cuando se la induce (fosforescencia) la emisioacuten
de radiacioacuten tiene un tiempo de vida medio en un rango de milisegundos a segundos
siendo esta caracteriacutestica la principal diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia
(Martiacutenez amp Moctezuma 2006)
132 Procesos de relajacioacuten energeacutetica molecular
Relajacioacuten vibracional Tiene lugar en las colisiones entre las moleacuteculas
excitadas y las moleacuteculas del disolvente y es ahiacute en donde tiene lugar la transferencia de
energiacutea vibracional Las moleacuteculas pasan de un estado excitado a uno de menor energiacutea
mediante la emisioacuten de calor lo cual se evidencia en un ligero incremento de temperatura
en el medio Al no ser un proceso luminiscente la moleacutecula mantiene la misma
configuracioacuten electroacutenica
Conversioacuten interna Es otro tipo de proceso de relajacioacuten no radiante y ocurre
cuando la energiacutea de transicioacuten es mayor que la energiacutea de enlace lo que provoca la
relajacioacuten energeacutetica mediante la emisioacuten de un electroacuten perifeacuterico regresando a un nivel
energeacutetico inferior de los estados excitados S1 y S2 despueacutes de haber estado en los niveles
vibracionales altos
Cruzamiento entre sistemas Se produce cuando los electrones situados en el
estado excitado S1 pueden experimentar una conversioacuten de espiacuten al primer estado
excitado T1 Su probabilidad aumenta si los niveles vibracionales se solapan
Fluorescencia y Fosforescencia Son transiciones de relajacioacuten energeacutetica
radiativas Como ya se explicoacute previamente la emisioacuten de energiacutea desde un estado
excitado S1 da lugar al fenoacutemeno de la fluorescencia mientras que la emisioacuten energeacutetica
desde un estado T1 da lugar al fenoacutemeno de la fosforescencia
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
11
14 Espectros de absorcioacuten y emisioacuten
Los espectros UV-Vis se utilizan con frecuencia para confirmar la identidad de una
sustancia mediante la comparacioacuten de su espectro medido con otro de referencia
El espectro de absorcioacuten y de emisioacuten o de fluorescencia indica la relacioacuten entre la
intensidad de energiacutea con la variacioacuten de la longitud de onda La longitud de onda
corresponde a la transicioacuten radiativa entre el nivel de mayor energiacutea S1 hasta el estado
fundamental S0 Los espectros de absorcioacuten y emisioacuten variacutean ampliamente y son
dependientes de la estructura quiacutemica de la moleacutecula
Una propiedad de la fluorescencia es que siempre se observa el mismo espectro
independientemente de la longitud de onda de excitacioacuten Esto se debe a la raacutepida
relajacioacuten energeacutetica del fluoroacuteforo
141 Relacioacuten entre el espectro de absorcioacuten y de emisioacuten Ya que la diferencia de
energiacutea en los estados vibracionales tanto en sus estados excitados como en el estado
fundamental el espectro de absorcioacuten o excitacioacuten y el espectro de emisioacuten o
fluorescencia de un compuesto se parecen como si el uno fuese aproximadamente la
imagen del otro en un espejo con el respectivo solapamiento en la liacutenea de resonancia
Este principio se lo conoce como regla del espejo y en la praacutectica se encuentran varias
excepciones
Figura 8 Regla del espejo de espectros de absorcioacuten y emisioacuten
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
12
142 Factores que afectan la absorcioacuten
Linealidad de la ley de Lambert-Beer Existen desviaciones de la relacioacuten lineal
entre absorbancia y concentracioacuten que se deben a factores fiacutesicos quiacutemicos e
instrumentales La ley es aplicable a soluciones diluidas pero cuando eacutestas tienen una
concentracioacuten mayor a [001 M] la distancia entre las especies es miacutenima al punto en que
se ven afectadas las distribuciones de carga de moleacuteculas vecinas alterando la capacidad
de absorcioacuten de las especies Otra causa que afecta a la linealidad se produce a nivel del
sensor ya que la luz externa o de la fuente (luz policromaacutetica) se filtra En general cuanto
menos monocromaacutetica sea la luz existiraacute mayor desviacioacuten en la relacioacuten absorbancia-
concentracioacuten
Cromoacuteforo Un cromoacuteforo es un grupo responsable de la absorcioacuten de luz en las
regiones ultravioleta y visible en una moleacutecula Por lo tanto en su mayoriacutea estas
moleacuteculas poseen centros absorbentes no saturados es decir poseen uno o maacutes enlaces
muacuteltiples
Tabla 2 Cromoacuteforos y su valor maacuteximo de absorbancia
Cromoacuteforo Foacutermula Ejemplo λ(maacutex) [nm]
Carbonilo Cetona RC=ORrsquo Acetona 271
Carbonilo Aldehiacutedo RHC=O Acetaldehiacutedo 293
Carboxilo RCOOH Aacutecido aceacutetico 204
Amida RCONH2 Acetamida 208
Etileno RCH=CHR Etileno 193
pH del disolvente Cuando un analito se disocia asocia o reacciona con el
disolvente se obtiene un producto que tendraacute un espectro de absorcioacuten diferente al del
analito este proceso es consecuencia de la variacioacuten de pH del disolvente Esta variable
determina el estado de ionizacioacuten del cromoacuteforo
Efecto de polaridad El pico maacuteximo de absorcioacuten para cromoacuteforos polares
(cuando la moleacutecula tiene S N O) aparece a longitudes de onda menores en disolventes
polares hidroxiacutelicos (agua alcohol) que en los disolventes no polares
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
13
15 Instrumentacioacuten
El esquema de funcionamiento de un espectrofotoacutemetro es el siguiente La luz
proveniente de una fuente de excitacioacuten pasa a traveacutes de un filtro o monocromador el cual
selecciona la longitud de onda de excitacioacuten e incide sobre la muestra Una parte de la luz
es absorbida por la muestra y la cantidad de energiacutea que no es absorbida llega hasta un
detector el cual se encarga de procesar dichas sentildeales y convertirlas en datos que puedan
ser interpretados y manejados matemaacuteticamente
Figura 9 Esquema general de un espectrofotoacutemetro
151 Fuente de excitacioacuten Lo ideal en una fuente emisora de luz seriacutea que genere una
intensidad constante a todas las longitudes de onda Sin embargo no es posible encontrar
una con estas caracteriacutesticas en el mercado Se disponen de varios tipos de luz pero la
maacutes utilizada es la laacutempara de arco de xenoacuten la cual produce una buena intensidad
continua en la regioacuten del UV-Vis
Los diodos laacuteser (DL) se han utilizado como fuentes de excitacioacuten ya que disponen de un
maacuteximo de intensidad bien definido siendo una de sus principales ventajas el hecho de
poder manipular y enfocar la luz con mejor calidad Sin embargo son maacutes costosas que
los otros tipos de fuente de luz
Actualmente gracias al desarrollo tecnoloacutegico se disponen de fuentes alternativas de luz
siendo estas de menor costo y alta precisioacuten Este es el caso de las luces tipo LED las
cuales tienen un mayor tiempo de vida menor consumo de energiacutea y estaacuten disponibles
para varios anchos de banda (Lakowicz amp Geddes 2006)
MONOCROMADOR
EXCITACIOacuteN
CELDA - MUESTRA
DETECTOR
LAacuteMPARA DE Xe
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
14
152 Monocromador Estos dispositivos causan que la luz policromaacutetica sea separada
en diferentes longitudes de onda y estas sean dispersadas con distintos aacutengulos
Comuacutenmente se utilizan prismas y redes de difraccioacuten Se utilizan maacutes las redes de
difraccioacuten ya que en los prismas la difraccioacuten resultante no es angularmente lineal y
disminuyen la intensidad de luz
Redes de difraccioacuten Las redes de difraccioacuten reflejan la luz con diferentes
oacuterdenes los cuales se solapan Asiacute pues un monocromador consta de una rendija de
entrada un dispositivo de dispersioacuten y una rendija de salida Una rejilla angosta
proporciona una mejor resolucioacuten a expensas de la intensidad
Figura 10 Red de difraccioacuten
153 Detectores La absorbancia se mide generalmente en un aacutengulo de 180deg respecto
de la luz incidente de la fuente Esto con el fin de detectar la mayor cantidad de energiacutea
transmitida por la muestra De esta manera solo la luz dispersada por la muestra seraacute la
que llegue al detector mejorando la relacioacuten sentildeal-ruido (SN)
El tipo de detector que maacutes se utiliza en la espectroscopiacutea son los tubos
fotomultiplicadores los cuales combinan la conversioacuten de la sentildeal con varias etapas de
amplificacioacuten dentro del tubo En la actualidad se pueden utilizar fotodiodos como
detectores siempre que trabajen dentro del rango de longitudes de onda UV-Vis
Las sentildeales detectadas se procesan para posteriormente ser enviadas a una computadora
en donde a traveacutes de un software dichas sentildeales podraacuten ser representadas en una graacutefica
como su espectro de absorcioacuten o emisioacuten
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
15
154 Sistemas oacutepticos Son utilizados para transmitir y enfocar la luz correctamente
dentro del equipo frecuentemente se colocan lentes y espejos coacutencavos Un tipo de lente
son los acromaacuteticos los cuales disponen de lentes de diferentes cristales con distintos
iacutendices de refraccioacuten lo cual facilita que las luces de diferente longitud de onda converjan
en un mismo punto del lente (aberracioacuten cromaacutetica) Sin embargo su costo es elevado
Los espejos coacutencavos son menos costosos que los lentes Sin embargo al ser de aluminio
con el paso del tiempo se corroen faacutecilmente provocando una peacuterdida de eficacia
En todas las superficies oacutepticas alrededor del 5-10 de la luz es absorbida o reflejada
Por lo tanto se quiere que el equipo de medida tenga la menor cantidad posible de estas
superficies oacutepticas
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
16
2 METODOLOGIacuteA
21 Componentes internos del Espectrofotoacutemetro
Para poder obtener datos experimentales y realizar el disentildeo del equipo primero se
obtuvieron todos los dispositivos internos del espectrofotoacutemetro los cuales se detallan a
continuacioacuten
211 Fuente de iluminacioacuten Se adquirioacute una laacutempara de arco de xenoacuten marca
Rolinger adaptada mediante una fuente de energiacutea de 12 V La luminaria es de tipo H7
con una temperatura de color de 6000 K consta de un balastro
Figura 11 Laacutempara de Xenoacuten Rolinger de alta intensidad
212 Lente condensador Como parte del sistema oacuteptico del equipo se adquirioacute un
lente condensador marca NIKON Abbe con una apertura numeacuterica (NA) de 125 De esta
manera se consigue que la luz proveniente de la fuente la cual es dispersada en todas las
direcciones sea condensada en un solo haz luminoso el cual llegaraacute uacutenicamente a la
muestra
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
17
Figura 12 Lente condensador Nikon Abbe (125 AN)
213 Servomotor De marca Tower Pro tiene un eje de rotacioacuten el cual puede ser
controlado a traveacutes del coacutedigo de programacioacuten del ordenador con la finalidad de obtener
una posicioacuten angular especiacutefica para el paso de la luz monocromaacutetica
Tabla 3 Especificaciones teacutecnicas Servomotor
Peso 9 g
Dimensiones 22 x 118 x 31 (mm)
Torque 18 kgfcm
Velocidad de operacioacuten 01 s60 grados
Tensioacuten de operacioacuten 5 V
Temperatura de operacioacuten 0 degC ndash 55 degC
Resolucioacuten de aacutengulo 1deg
Figura 13 Servomotor Tower Pro
214 Monocromador Este dispositivo es el encargado de separar la luz de xenoacuten
blanca en todos los colores que la componen Estaacute conformado por un servomotor y una
red de difraccioacuten
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
18
Red de difraccioacuten Elemento plaacutestico montado sobre un soporte de 5 cm5 cm de
lado Es una red difractante de 13500 liacuteneaspulgada de doble eje lo cual permite
tener una buena resolucioacuten de difraccioacuten en comparacioacuten a otras redes esto a
expensas de una disminucioacuten de la intensidad por ser una red de difraccioacuten de
transmisioacuten
Figura 14 Red de difraccioacuten adquirida
215 Celdas de cuarzo Se adquirioacute dos celdas de cuarzo para realizar el anaacutelisis de
absorbancia Las celdas presentan un rango de operacioacuten amplio dentro del cual se
encuentra la regioacuten del espectro visible y es transparente en la regioacuten UV
Tabla 4 Caracteriacutesticas de la celda
Material Cuarzo
Longitud de trayectoria 10 mm
Volumen 35 ml
Dimensiones Exteriores 45 x 125 x 125 (mm)
Rango Espectral 200 ndash 2000 (nm)
a) b)
Figura 15 a) Rango de operacioacuten de cubeta de cuarzo b) Celda empleada
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
19
216 Sensor El detector que se empleoacute es un fotodiodo de silicio tipo HS1010CE el
cual fue comprado online desde el portal eBay Estaacute montado sobre un soporte plaacutestico
Este elemento posee una sensibilidad que abarca un amplio rango espectral desde los 300
nm hasta los 1000 nm en el cual estaacute incluida la regioacuten de espectro visible
El sensor no tiene restricciones en cuanto a su manipulacioacuten por lo que el riesgo de dantildeo
durante su traslado y conexioacuten en el periodo de pruebas es miacutenimo Necesitaraacute estar
aislado de manera que el procesamiento de la sentildeal sea uacutenicamente de la luz transmitida
a traveacutes de la muestra A continuacioacuten se pueden apreciar algunas de las especificaciones
del sensor empleado
Tabla 5 Especificaciones teacutecnicas del fotodiodo
Fabricante Opto Diode
Modelo HS116H
Respuesta espectral 300 ndash 1100 (nm)
Maacutexima fotosensibilidad 940 nm
Aacuterea activa 6 x 6 (mm2)
Temperatura de operacioacuten -40 degC a 100 degC
Temperatura de soldadura 260 degC a 5 s
Figura 16 Fotodiodo de silicio HS116H
217 Tarjeta Programable La tarjeta electroacutenica adquirida es del tipo Arduino UNO
a la cual es posible asignarle tareas especiacuteficas mediante su software Mediante esta tarjeta
se controlaraacute el servomotor de manera que se pueda seleccionar un aacutengulo de giro para
que la luz monocromaacutetica llegue a la muestra Asimismo recibiraacute y procesaraacute la sentildeal
detectada por el fotodiodo mediante una escala la cual relaciona la intensidad de luz
recibida con la tensioacuten de salida
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
20
Figura 17 Tarjeta programable Arduino UNO
En la siguiente imagen se puede apreciar la interfaz del software de Arduino en el cual se
realizoacute la programacioacuten preliminar de la placa para poder realizar mediciones
experimentales la misma que al final fue cambiada por la interfaz de LabVIEW
Figura 18 Editor de coacutedigo de programacioacuten ndash Arduino
218 Pantalla LCD Este elemento va montado sobre la tarjeta programable consta de
puertos para poder comunicar dispositivos electroacutenicos y programarlos en la tarjeta Es
un display de 162 liacuteneas que permite visualizar texto y datos numeacutericos en este caso se
pretende observar datos de longitud de onda y tensioacuten eleacutectrica provenientes del
fotodiodo su programacioacuten inicial se realizoacute en arduino y posteriormente se retiroacute del
equipo por problemas de compatibilidad con la interfaz de LabVIEW
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
21
Figura 19 Pantalla LCD para Arduino UNO
22 NI LabVIEW 2017
Es un software que utiliza un lenguaje de programacioacuten graacutefico (G) el cual permite
realizar aplicaciones de automatizacioacuten control virtual manejo de adquisicioacuten de datos
monitoreo instrumentacioacuten comunicacioacuten serial entre otros Es por esto que es muy
utilizado ya que facilita la implementacioacuten de aplicaciones en ciencia y tecnologiacutea Su
entorno permite ser integrado con programas de caacutelculos numeacutericos complejos como
MATLAB ademaacutes puede enlazarse con los programas de Microsoft Office
La interfaz de control del equipo se realizaraacute en el software indicado ya que ademaacutes de
las facilidades mencionadas eacuteste permitiraacute que la aplicacioacuten desarrollada sea escalable
de manera que facilite la mejora o modificacioacuten del programa seguacuten sean las necesidades
del usuario
La programacioacuten se desarrolla en el editor mediante diagramas de bloques los cuales
finalmente seraacuten presentados en el panel frontal de LabVIEW que es la parte interactiva
del programa desde donde el usuario ejecutaraacute los comandos de control del equipo
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
22
Figura 20 Editor de diagrama de bloques de programacioacuten
Figura 21 Interfaz de control de LabVIEW
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
23
23 Pruebas preliminares
Todas las partes descritas anteriormente se colocaraacuten dentro de una estructura de prueba
para realizar mediciones experimentales que permitan contar con datos significativos para
el disentildeo del equipo final
231 Procedimiento en la estructura de prueba
Modificar la posicioacuten del foco y del portamuestra de manera que se encuentre la
geometriacutea de medida maacutes adecuada en donde la sentildeal de voltaje registrada por el
fotodiodo no tenga variaciones considerables y la medida sea reproducible
Configurar el lente condensador para incrementar la intensidad de luz emergente
de la fuente de excitacioacuten A su vez utilizar rendijas a la salida del lente o en su defecto
colocar uacutenicamente rendijas para el paso de la luz y comparar las intensidades
Encontrar la posicioacuten de la red respecto a la fuente de iluminacioacuten de manera que
permita definir los aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada color de la luz
policromaacutetica de excitacioacuten utilizando la programacioacuten de los servomotores
Colocar rendijas en el portamuestra y en el fotodiodo de manera que la luz
incidente en estos elementos pueda ser aislada y permitan el paso de un solo color de la
luz difractada a la vez
De este modo una vez armada la estructura se procedioacute a preparar una solucioacuten coloreada
de cromato de potasio la cual seraacute objeto de experimentacioacuten en esta etapa
Disolver 1 mg de cromato de potasio (K2CrO4) en 50 mL de agua destilada y aforar a
100 mL en un baloacuten posteriormente ajustar dicha solucioacuten a un pH de 12 mediante la
adicioacuten de NaOH [1M]
Configurar el espectrofotoacutemetro del laboratorio (Agilent Cary 60 ndash UV Vis) en modo
absorbancia para un barrido desde 300 nm a 700 nm
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
24
El espectro de absorcioacuten resultante seraacute comparado con el espectro que se obtenga en la
estructura de prueba construida
Graacutefico 1 Espectro de absorcioacuten K2CrO4 espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Se encontroacute que a la concentracioacuten preparada el pico maacuteximo de absorcioacuten corresponde
a una longitud de onda de 372 nm con un valor de absorbancia de 0995 para el K2CrO4
En la estructura de prueba medir la tensioacuten eleacutectrica generada por la absorcioacuten de luz
de la sustancia en mencioacuten Esto a traveacutes de la tarjeta electroacutenica y el fotodiodo para
obtener una graacutefica a partir de la relacioacuten de la tensioacuten eleacutectrica y el aacutengulo de giro de
la red de difraccioacuten
Graacutefico 2 Tensioacuten vs Aacutengulo de red estructura experimental
0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
1
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Ab
sorb
anci
a
Longitud de onda (nm)
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 10 20 30 40 50
Ten
sioacute
n (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
25
232 Calibracioacuten de la red La curva de calibracioacuten de la red se obtendraacute a partir de
medidas de absorcioacuten de una solucioacuten coloreada en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 las
mismas que seraacuten comparadas con datos de tensioacuten eleacutectrica registrados por el fotodiodo
en la estructura de prueba de manera que se encuentre una relacioacuten matemaacutetica entre las
variables de intereacutes
Disolver 0032 g de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y aforar en un
baloacuten de 200 mL
Configurar el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 en modo absorcioacuten para
realizar un barrido desde 300 nm a 700 nm Medir el blanco colocar la muestra y registrar
el valor obtenido de absorcioacuten con su correspondiente longitud de onda
Colocar el blanco en el portamuestra de la estructura de prueba y realizar un
barrido en el rango de aacutengulos de giro de la red correspondientes a cada longitud de onda
Registrar los valores de tensioacuten eleacutectrica para cada aacutengulo
Realizar el procedimiento del numeral anterior esta vez colocando la muestra en
la estructura de prueba
Construir la curva de calibracioacuten relacionando la longitud de onda y el aacutengulo de
giro de la red Verificar utilizando la ecuacioacuten para las demaacutes soluciones problema
233 Interfaz Virtual Elaborar la interfaz de control del equipo a partir de los datos
obtenidos en la calibracioacuten de la red se realizaraacute en el software de programacioacuten
LabVIEW
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
26
3 CAacuteLCULOS Y RESULTADOS
31 Caacutelculos y Disentildeo
311 Aacutengulos de difraccioacuten Por observacioacuten experimental se determinaron los
aacutengulos de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda (color) de la luz blanca
de excitacioacuten A continuacioacuten se indica el valor de cada aacutengulo y el color observado
Tabla 6 Aacutengulos de difraccioacuten
Color Aacutengulo de difraccioacuten
θ (grados)
Rojo 10
Naranja 20
Amarillo 25
Verde 30
Azul 35
Violeta 40
Correccioacuten del aacutengulo de difraccioacuten La red de difraccioacuten fue colocada
formando un aacutengulo de 90deg con la luz policromaacutetica incidente de esta forma los aacutengulos
reales de operacioacuten vendraacuten dados por
120579119862 = 90deg minus 120579 (7)
Caacutelculo modelo para θ = 10deg
120579119862 = 90deg minus 10deg = 80deg
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
27
Tabla 7 Aacutengulos de difraccioacuten corregidos
Color Aacutengulo corregido θC (grados)
Rojo 80
Naranja 70
Amarillo 65
Verde 60
Azul 55
Violeta 50
312 Caacutelculo de la longitud de onda
Tabla 8 Tensioacuten eleacutectrica de la Rodamina 6G
Blanco (H2O) Rodamina 6G
Color Aacutengulo θC (grados) VH2O (mV) VR6G (mV) ∆V= VH2O - VR6G
Rojo 80 5355 5355 0
Naranja 70 5573 5573 0
Amarillo 65 5988 5901 087
Verde 60 6484 6231 253
Azul 55 5682 5682 0
Violeta 50 5464 5455 109
Graacutefico 3 Pico de tensioacuten para la Rodamina 6G
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
28
En el graacutefico 23 se observa que el pico de voltaje corresponde a un aacutengulo de giro de la
red de 60deg el cual a su vez corresponde a la longitud de onda del pico de absorbancia de
526 nm medida leiacuteda en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 De esta manera las
longitudes de onda correspondientes a cada aacutengulo vendraacuten dadas por
120582120579 = 12058260deg (120579
60deg) (8)
Caacutelculo modelo para θ=80deg
12058280deg = 526 119899119898 (80deg
60deg) = 70133 119899119898
Tabla 9 Longitud de onda y aacutengulos de difraccioacuten
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm)
Rojo 80 70133 620 ndash 750
Naranja 70 61367 590 ndash 620
Amarillo 65 56983 570 ndash 590
Verde 60 52600 496 ndash 570
Azul 55 48217 450 ndash 495
Violeta 50 43833 380 ndash 450
313 Caacutelculo del error porcentual de longitud de onda El error porcentual se
calcularaacute para aquellos aacutengulos cuyos valores de longitud de onda no esteacuten dentro de los
rangos teoacutericos de longitudes de onda correspondientes a cada color
119890 =120582119879minus120582120579
120582119879lowast 100 (9)
Caacutelculo modelo para λ65deg = 56983nm
119890 =570119899119898 minus 56983119899119898
570119899119898lowast 100 = 0029
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
29
Tabla 10 Error porcentual de longitud de onda
Color θC (grados) λθ (nm) Rango teoacuterico λT (nm) e
Rojo 80 70133 620 ndash 750 0
Naranja 70 61367 590 ndash 620 0
Amarillo 65 56983 570 ndash 590 0029
Verde 60 52600 496 ndash 570 0
Azul 55 48217 450 ndash 495 0
Violeta 50 43833 380 ndash 450 0
314 Curva de calibracioacuten
Tabla 11 Datos de curva de calibracioacuten
Color λθ (nm) θC (grados) sen(θC)
Rojo 70133 80 09848077
Naranja 61367 70 09396926
Amarillo 56983 65 09063078
Verde 52600 60 08660254
Azul 48217 55 08191520
Violeta 43833 50 07660444
Graacutefico 4 Curva de calibracioacuten de la red de difraccioacuten
y = 1171x - 47853Rsup2 = 0978
400000
450000
500000
550000
600000
650000
700000
750000
07 075 08 085 09 095 1
Lon
gitu
d d
e o
nd
a (
nm
)
sen (θ)
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
30
En el Anexo A se muestra una tabla con todos los valores de longitud de onda para el
rango comprendido entre 80deg y 50deg con los cuales se realizoacute la calibracioacuten de la red
De la curva de calibracioacuten realizada se obtiene la relacioacuten entre la longitud de onda y el
seno del aacutengulo de posicioacuten de la red siendo esta expresioacuten matemaacutetica la siguiente
120582 = 1171 119904119890119899(120579) minus 47853 (10)
315 Disentildeo del espectrofotoacutemetro A partir de la informacioacuten obtenida de las fuentes
bibliograacuteficas se definieron las bases para el disentildeo del equipo
Los criterios de disentildeo fueron la geometriacutea de medida y la seleccioacuten de la red de
difraccioacuten La configuracioacuten espacial de los elementos internos del equipo fue aquella en
la que la luz proveniente de la laacutempara de xenoacuten formoacute un aacutengulo de 180deg con el
portamuestra y el sensor tal como se muestra en la figura 22
La seleccioacuten de la red comercial se limitoacute a un solo paraacutemetro dado por la siguiente
expresioacuten
119898120582 = 120575119904119890119899120579 (11)
En donde m es el orden de difraccioacuten λ la longitud de onda θ es el aacutengulo formado por
la luz incidente y la luz difractada y δ es la separacioacuten de las rendijas de la red
Este uacuteltimo teacutermino δ representa la distancia existente entre cada rendija de la red y es
precisamente este paraacutemetro el que determinoacute la correcta seleccioacuten del elemento de
difraccioacuten Seguacuten la ecuacioacuten (8) se tendriacutea un efecto apreciable de difraccioacuten para
radiaciones cuyas longitudes de onda sean iguales o inferiores a la separacioacuten de las
rendijas
120575 =1
119873 (12)
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
31
En donde N es el nuacutemero de rendijas que posee la red Asiacute para la red elegida δ
= 18815 nm lo cual resulta uacutetil para el estudio que se pretende realizar en la regioacuten del
espectro visible
Figura 22 Diagrama de bloques del prototipo
Se tomoacute como punto base la estructura de prueba construida y a partir de esta se realizaron
modificaciones en el equipo tanto en sus dimensiones internas y externas como en la
configuracioacuten espacial de los elementos internos Inicialmente se colocaron el fotodiodo
el portamuestra el lente a una altura de 2 cm sin embargo esto se modificoacute ya que no se
teniacutea buen soporte para la celda lo que llevoacute a elevar las piezas a una altura de 5 cm de
la base El lente condensador teniacutea una platina de aluminio de forma hexagonal de
manera que la luz de la laacutempara tomaba dicha forma afectando a la difraccioacuten por este
motivo se retiroacute este elemento y se colocoacute una rendija de 1 mm para obtener bandas de
difraccioacuten bien definidas De igual forma se colocoacute una rendija de la misma medida en la
parte frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la red una sola longitud de
onda ilumine la muestra posteriormente se definieron los aacutengulos de difraccioacuten mediante
observacioacuten y variando la posicioacuten del portamuestra Finalmente fue posible reducir las
dimensiones del prototipo de forma que sea maacutes compacto
Se elaboroacute un modelo preliminar en AutoCAD lo cual facilitoacute la definicioacuten de las
especificaciones teacutecnicas y caracteriacutesticas finales del equipo y daraacute paso a la construccioacuten
del mismo
El disentildeo final del equipo y de sus componentes internos se pueden apreciar en el Anexo
B
Laacutempara
de Xenoacuten
Monocromador
(Red de
difraccioacuten y
motor de pasos)
Muestra Fotodiodo
Fuente de poder Tarjeta programable
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
32
32 Construccioacuten del equipo
321 Estructura metaacutelica
Fabricada en acero de 2 mm de espesor La estructura es una caja rectangular cuyas
dimensiones son 35 cm30 cm15 cm
Dentro de la caja se encuentra la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten en la cual se
ubicaraacute la laacutempara de xenoacuten Fabricada del mismo material metaacutelico sus medidas son
18 cm15 cm15 cm En su pared frontal tiene una perforacioacuten de 38cm de diaacutemetro
para colocar la rendija y en su pared posterior tiene otra perforacioacuten de 96cm de
diaacutemetro para colocar un ventilador
Tiene una pared interna de 35 cm15 cm la cual permitiraacute separar los elementos
eleacutectricos y dispositivos electroacutenicos del espectrofotoacutemetro Posee una perforacioacuten
cuadrada para colocar el fotodiodo En la parte posterior se realizaron orificios para
el conector del cable de poder y la salida del cable USB que comunica la tarjeta con
el computador
Figura 23 Estructura metaacutelica del espectrofotoacutemetro
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
33
322 Tapa metaacutelica
Fabricada en acero con dimensiones de 355 cm305 cm tiene un bajante de 2 cm
para sellar la caja Se realizoacute una abertura de 9 cm16 cm que cubre el aacuterea del
portamuestra en donde se colocaraacute una puerta corrediza que permitiraacute manipular las
muestras al momento de la experimentacioacuten
Figura 24 Tapa metaacutelica del equipo
323 Soporte de la laacutempara de Xenoacuten
Elaborado en tefloacuten industrial posee una altura de 4 cm y tiene forma coacutenica El
material es altamente resistente a la temperatura antiadherente y quiacutemicamente inerte
Estaacute montado sobre un ciacuterculo de madera de chanul para darle mayor estabilidad en
la sujecioacuten
Figura 25 Soporte de tefloacuten para fuente de iluminacioacuten
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
34
324 Portamuestras
Se utilizoacute acriacutelico negro de 2 mm de espesor para su fabricacioacuten Sus dimensiones
son 11 cm5 cm5 cm con una base ubicada a 5cm de altura en donde se colocaraacute la
muestra A partir de esta altura sus paredes son abiertas de manera que permitan el
libre flujo de la radiacioacuten
Al interior y sobre la base colocada se ubicaraacute un soporte de acriacutelico para fijar la
celda de cuarzo durante los experimentos Tiene tres paredes de 14 cm1 cm y su
pared frontal es de 14 cm4 cm con una rendija de 35 cm de altura y 1mm de ancho
Figura 26 Portamuestra en acriacutelico negro
325 Rendija y soportes de acriacutelico
Rendija Como parte del sistema oacuteptico se probaron una serie de rendijas algunas
en combinacioacuten con el lente condensador con la finalidad de incrementar la intensidad de
la luz blanca de xenoacuten y poder tener un solo haz de esta a la salida del lente Finalmente
se decidioacute eliminar el lente condensador ya que a pesar de condensar toda la luz
emergente en un solo haz la intensidad de la misma se veiacutea disminuida por el efecto de
la red de difraccioacuten ademaacutes no fue posible combinar las rendijas con el lente debido a
que la estructura de este uacuteltimo lo impediacutea
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
35
Se colocoacute una rendija de 1 mm de ancho fabricada en acriacutelico negro en forma circular
de 38 cm de diaacutemetro la cual se ubicoacute en la perforacioacuten frontal de la caacutemara de la
laacutempara de xenoacuten
Figura 27 Rendija en acriacutelico negro
Soporte para servomotor y red de difraccioacuten El soporte del servomotor se
elaboroacute con el propoacutesito de tener la altura necesaria para que el haz de luz atraviese la red
de difraccioacuten y llegue a la muestra Mientras que el soporte para la red de difraccioacuten se
construyoacute para que este elemento pueda tener una alta estabilidad al momento que se
asigna su posicioacuten mediante el giro del eje del servomotor
El soporte del servomotor se fabricoacute en acriacutelico negro en forma de cubo Sus
dimensiones son 5 m 5 cm 5 cm teniendo en la cara superior una abertura para
colocar el elemento
El soporte de la red de difraccioacuten se fabricoacute en acriacutelico negro Tiene dos paredes de 3
cm 05 cm ubicadas a 1mm la una respecto de la otra Ambas estaacuten pegadas en una
base del mismo material
Figura 28 Soporte de servomotor y de red la de difraccioacuten
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
36
326 Elementos electroacutenicos
Releacute Este dispositivo es un interruptor que permite controlar el encendido y
apagado de la laacutempara de xenoacuten desde un controlador ubicado en la interfaz de LabVIEW
(Figura 29a)
Placa para almacenamiento de datos Para poder guardar datos obtenidos en
cada experimento que se realice se colocoacute una placa en la cual se ingresaraacute una tarjeta
microSD de 1 GB de capacidad (Figura 29b)
Sensor de temperatura LM35 Es necesario controlar la temperatura en la
caacutemara de la fuente de iluminacioacuten debido a que el foco genera calor y por ende habraacute
un incremento de temperatura en el equipo lo cual puede afectar el correcto
funcionamiento de las partes electroacutenicas principalmente de la tarjeta (Figura 29c)
Interruptor Es un botoacuten o pulsador metaacutelico que permitiraacute encender o apagar el
equipo (Figura 29d)
Ventilador Se colocaraacute en la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten para poder
mantener su temperatura estable se conecta directamente a la fuente de alimentacioacuten
(Figura 29e)
a) b)
c) d) e)
Figura 29 a) Releacute b) Adaptador tarjeta SD c) LM35 d) Interruptor e)Ventilador
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
37
327 Fuente Switching
Se colocoacute una fuente de alimentacioacuten de 110 V a 12 V y 10 A mediante la cual se
energizaraacute todo el equipo Sus dimensiones son 15 cm 12 cm 5 cm a este elemento
vendraacuten conectados el ventilador el interruptor y la laacutempara de xenoacuten
Se conectaraacute al suministro de energiacutea a traveacutes de un cable de poder de tipo PC para
lo cual se instaloacute su correspondiente conector macho en el equipo
Figura 30 Conector tipo macho de cable de poder y fuente switching
328 Coacutedigo de programacioacuten Las pruebas experimentales previas se realizaron en
base a un coacutedigo de programacioacuten en Arduino a partir del cual se modificaron ciertos
controles y se elaboroacute el nuevo coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW A
continuacioacuten se detalla la programacioacuten desarrollada para cada dispositivo interno
Servomotor Mediante el coacutedigo de programacioacuten se asigna las diferentes
posiciones angulares a la red de difraccioacuten correspondientes a cada longitud de onda de
la luz policromaacutetica difractada
El software de LabVIEW incluye una libreriacutea especiacutefica para servos (Arduino-Sensors-
Servos) Se configuroacute el nuacutemero de servos a utilizar en el bloque Set Number of Servos
En este caso es un servomotor identificado como Servo0 y se indica que estaacute conectado
al pin A9 de la tarjeta En el aacuterea del panel de control se crea un espacio en el cual se
digitaraacute el valor del aacutengulo al que se desea posicionar la red
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
38
Fotodiodo Este sensor recibiraacute la intensidad de luz de la fuente y la transformaraacute
en un dato de tensioacuten eleacutectrica Para obtener la relacioacuten entre el voltaje y la longitud de
onda se escaloacute el fotodiodo de manera que al valor de 0mV se le asignoacute una longitud de
onda de 700 nm mientras que a 5 mV le corresponde un valor de 300 nm Esto se
fundamenta en el hecho de que las radiaciones de longitud de onda maacutes corta poseen
mayor energiacutea y viceversa tal como se indica en la ecuacioacuten (3) de este texto El fotodiodo
se encuentra conectado en el pin A2 de la tarjeta Arduino UNO
Releacute Este elemento estaacute conectado a la tarjeta Arduino mediante la cual se le
asigna la orden de encender y apagar la laacutempara de Xenoacuten
Sensor de temperatura LM35 Montado sobre una placa de fibra de vidrio el
instrumento controla la temperatura de la caacutemara de la fuente de iluminacioacuten mediante
una operacioacuten matemaacutetica asignada al coacutedigo de programacioacuten
Figura 31 Circuito eleacutectrico de releacute y sensor de temperatura LM35
En el Anexo C se puede observar el diagrama de bloques de la programacioacuten asiacute como
la interfaz para la operacioacuten del equipo y un diagrama de las conexiones de la tarjeta
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
39
33 Puesta en marcha del equipo
Una vez que se ha armado el equipo se inicia el funcionamiento del mismo para lo cual
se prepararon tres soluciones coloreadas de las cuales se puedan obtener sus espectros de
absorcioacuten
331 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de una muestra de agua destilada la misma
que haraacute las veces de blanco para el caso de las Rodaminas y etanol para el caso de la
cuacutercuma
332 Medir los valores de tensioacuten eleacutectrica de cada muestra de las siguientes soluciones
y realizar una graacutefica de Diferencia de Tensioacuten vs Angulo de giro de la red Las
soluciones se prepararon teniendo en cuenta que su pico maacuteximo de absorbancia se
encuentre entre 09 y 1
Solucioacuten 1 Disolver 32 mg de Rodamina 6G en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 2 Disolver 28 mg de Rodamina B en 100 mL de agua destilada y llevar a
un baloacuten aforado de 200 mL
Solucioacuten 3 Disolver 20 mg de Cuacutercuma en 50 mL de etanol al 95 y llevar a un
baloacuten aforado de 100 mL
333 Observar a que aacutengulo corresponde el pico maacuteximo de voltaje y obtener la
longitud de onda correspondiente con la ecuacioacuten de la calibracioacuten de la red Comparar
la longitud de onda con el valor obtenido en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60
Figura 32 Soluciones de Cuacutercuma Rodamina B y Rodamina 6G
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
40
Solucioacuten 1 Rodamina 6G
Tabla 12 Datos experimentales - Solucioacuten 1
BLANCO SOLUCION 1
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5355 5355 0
Naranja 20 70 5573 5573 0
Amarillo 25 65 5988 5901 087
Verde 30 60 6484 6231 253
Azul 35 55 5682 5682 0
Violeta 40 50 5464 5355 109
Claramente se observa que el valor maacuteximo de tensioacuten corresponderaacute a un valor de 30deg
de posicioacuten de la red que corregido seraacute 60deg
Graacutefico 5 Pico de voltaje ndash solucioacuten 1 (Rodamina 6G)
Caacutelculo de la longitud de onda (ec 10)
120582 = 1171 119904119890119899(60) minus 47853 = 53559 119899119898
00
087
253
0
109
0
05
1
15
2
25
3
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
41
Solucioacuten 2 Rodamina B
Tabla 13 Datos experimentales Solucioacuten 2
BLANCO SOLUCION 2
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 4816 4816 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5247 5247 0
Verde 28 62 5355 4601 754
Azul 35 55 4923 4923 0
Violeta 40 50 4494 4388 106
A continuacioacuten se muestra la graacutefica de la variacioacuten de tensioacuten versus el aacutengulo de giro
de la red para la Rodamina B Es apreciable que el pico de voltaje se encuentra en un
aacutengulo de 28deg de la red corregido seraacute 62deg
Graacutefico 6 Pico de voltaje ndash solucioacuten 2 (Rodamina B)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(62) minus 47853 = 55540 119899119898
000
754
0
106
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
42
Solucioacuten 3 Cuacutercuma
Tabla 14 Datos experimentales Solucioacuten 3
BLANCO SOLUCION 3
Color Angulo (grados) Angulo corregido Voltaje (mV) Voltaje (mV) ∆V
Rojo 10 80 5297 5297 0
Naranja 20 70 5031 5031 0
Amarillo 25 65 5355 5297 058
Verde 28 62 5355 5355 0
Azul 35 55 5247 5247 0
Violeta
40 50 6242 5573 669
45 45 5247 5247 0
En el caso de la cuacutercuma se genera un pico de voltaje a 40deg de posicioacuten de la red que
corregido seraacute 50deg Fue necesario antildeadir una medida maacutes para poder formar el pico ya
que este se encontraba en el liacutemite inferior del rango de posiciones angulares
Graacutefico 7 Pico de voltaje ndash solucioacuten 3 (Cuacutercuma)
Caacutelculo de la longitud de onda
120582 = 1171 119904119890119899(50) minus 47853 = 41851 119899119898
00058
00
669
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
40 45 50 55 60 65 70 75 80
Ten
sioacute
n ∆
V (
mV
)
Aacutengulo de giro (grados)
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
43
34 Resultados
A continuacioacuten se muestra una tabla con los resultados obtenidos del valor maacuteximo de
longitud de onda para cada espectro de absorcioacuten obtenido λExp y se compara con el
valor de longitud de onda maacutexima medido en el espectrofotoacutemetro Agilent 60 λA60
Tabla 15 Resultados de valores de picos de absorcioacuten
λA60 (nm) λExp (nm) e
Solucioacuten 1 526 53559 182
Solucioacuten 2 554 55540 025
Solucioacuten 3 424 41851 129
Figura 33 Equipo en operacioacuten
35 Estimacioacuten de costos
Una tabla con el detalle de todos los instrumentos y materiales utilizados en el proyecto
se aprecia en el Anexo D
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
44
4 DISCUSIOacuteN
La construccioacuten de un equipo es un proceso minucioso Se debe considerar cada detalle
para que el resultado sea el mejor Dentro del disentildeo se realizaron los ajustes
necesarios pero al momento de construir el equipo se determinaron ciertos errores que
fueron corregidos por lo tanto es un proceso iterativo
El equipo consta de varias partes que afectan a su funcionamiento uno de ellos es la
rendija por donde atraviesa la luz que no permite que pasa completamente luz
monocromaacutetica y al fotodiodo llegan varias longitudes de onda y para cada posicioacuten
angular de la red es necesario realizar un promedio de los valores de voltaje obtenidos
lo cual genera un error en la medida Sin embargo estas variaciones en el voltaje leiacutedo
son del orden de 1 mV por lo que dicho error se mantiene dentro de un rango
aceptable
Cuando una sustancia absorbe luz se registra un cambio de potencial al correr una
muestra con un blanco (agua purificada) no existe cambio de la variables pero al
momento de realizar la mediciones el blanco y la muestra teniacutean el mismo
comportamiento a ninguno generaba un cambio de potencial Se determinoacute que esto
sucede debido a que la intensidad de luz que emerge de la laacutempara se ve disminuida
al atravesar la red de difraccioacuten lo cual en cierta medida se contrarresta por la alta
sensibilidad del sensor este inconveniente se solucionoacute ajustando la geometriacutea de
medida del equipo modificando la posicioacuten de sus elementos internos en especiacutefico
disminuyendo la distancia existente entre cada elemento y la fuente de excitacioacuten
La red de difraccioacuten es el componente maacutes importante en el equipo porque permite
descomponer la luz de la laacutempara en todo el rango de longitud de onda a medida que
la red se mueve hacia un aacutengulo solamente atravesaraacute una longitud de onda
caracterizada por un color especiacutefico dentro del espectro visible Los valores de los
aacutengulos encontrados correspondientes a cada longitud de onda variacutean
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
45
entre cada medida y aunque este cambio no es significativo esto se debe a que la
sujecioacuten de la red al eje del servomotor no es precisa por lo que en cada giro el
elemento tiende a desplazarse hacia adelante o hacia atraacutes generando una desviacioacuten
en la luz difractada y consecuentemente en la sentildeal recibida por el fotodiodo Ademaacutes
otro factor que influye en los valores de dichos aacutengulos es que al momento de asignarle
al motor de pasos una posicioacuten de 0deg o en su defecto 90deg fiacutesicamente se observa que
el eje de este elemento no coincide con este valor sino que se desviacutea aproximadamente
dos grados siendo este un error propio de fabricacioacuten del instrumento y de software
lo que requiere que se siga trabajando en estas partes del equipo para evitar estos
errores que aunque son pequentildeos afectan su funcionamiento Existe otro tipo de fallas
en el funcionamiento del servomotor lo cual obedece al software en donde se realizoacute
la programacioacuten Esto se debe a que en la interfaz de LabVIEW no es posible ordenar
al servo realizar un barrido en todo el rango de posiciones angulares de la red y en su
lugar se asigna el valor de los aacutengulos directamente en el panel de control de uno en
uno generando en ciertas ocasiones que el eje del servo no gire y se deba regresar a la
posicioacuten inicial para posteriormente continuar con la medida en el aacutengulo
correspondiente
La correlacioacuten entre la longitud de onda y el aacutengulo de giro de la red podriacutea
interpretarse como baja seguacuten el valor de 097 que describe el modelo matemaacutetico de
la calibracioacuten de la red este valor puede deberse al efecto de otras variables que no se
pudieron definir en el estudio como la configuracioacuten espacial de los componentes
internos del equipo (portamuestra fotodiodo y monocromador) respecto de la fuente
de iluminacioacuten Pese a esto el error porcentual de la longitud de onda calculada a partir
de la ecuacioacuten de calibracioacuten se mantiene dentro de un rango aceptable
Una limitacioacuten externa del proyecto fue la que se presentoacute en el software de LabVIEW
ya que no se pudo visualizar los datos experimentales al mismo tiempo en el monitor
y en la pantalla LCD debido a que no se dispone de una extensioacuten del programa porque
requiere de una licencia adicional pagada es por ello que no se colocoacute el display y los
datos seraacuten visualizados en el programa desarrollado
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
46
5 CONCLUSIONES
El espectrofotoacutemetro construido permite obtener el espectro de absorcioacuten de las tres
moleacuteculas analizadas las cuales absorben a diferente longitud de onda y presentan
bandas iguales a las obtenidas en un espectrofotoacutemetro comercial Se obtuvieron los
espectros de absorcioacuten de tres sustancias Rodamina B Rodamina 6G y Cuacutercuma a
partir de los valores de tensioacuten eleacutectrica (voltaje) registrados por el fotodiodo a partir
del aacutengulo de giro se calculoacute la longitud de onda maacutexima utilizando la ecuacioacuten de
calibracioacuten siendo para la R6G λex=53559 nm RB λex= 55540 nm y Cuacutercuma
λex=41851 nm de los cuales se obtuvo un error porcentual respecto de los valores
medidos en el espectrofotoacutemetro Agilent Cary 60 de 182 025 y 129
respectivamente por lo que se concluye que las mediciones realizadas en el prototipo
son confiables
Se construyoacute un circuito electroacutenico mediante el cual es posible comunicar los
instrumentos internos del equipo con la tarjeta de datos la cual a su vez recibe y
procesa las sentildeales enviadas por el fotodiodo
Se desarrolloacute un coacutedigo de programacioacuten en el software de LabVIEW la cual permite
ejercer el control del motor de pasos asignaacutendole un aacutengulo de giro De igual forma
es posible encenderapagar la laacutempara de xenoacuten y medir la temperatura de su caacutemara
lo cual es relevante para el correcto funcionamiento del circuito electroacutenico Todos
estos paraacutemetros son asignados y ejecutados directamente desde el panel de control
creado a partir de la programacioacuten
El disentildeo del prototipo fue la mayor complicacioacuten que tuvo el proyecto ya que se
empleoacute una metodologiacutea de prueba y error la cual no es una teacutecnica recomendada
debido a que incrementoacute el tiempo y costo del proyecto
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
47
Se incrementoacute la intensidad de luz que llega a la muestra ubicando la red difractante
lo maacutes cerca posible de la rendija de salida de luz ya que al ser una red de difraccioacuten
de transmisioacuten la intensidad disminuye cuando el haz luminoso atraviesa este
elemento
Se disentildeoacute el equipo en base a la informacioacuten obtenida de fuentes bibliograacuteficas y se
construyeron estructuras provisionales de manera que se definieron las dimensiones
adecuadas para fabricar una estructura compacta y que facilite la operacioacuten del
prototipo
Se aisloacute cada longitud de onda (color) que llega a la muestra colocando una rendija de
1mm de espesor en la cara frontal del portamuestra de manera que con cada giro de la
red un solo color ingresa e ilumina la muestra
Se calibroacute la red de difraccioacuten de manera que se obtuvo un modelo matemaacutetico que
relaciona la longitud de onda de absorcioacuten con la posicioacuten de la misma (aacutengulo) el
modelo tiene un coeficiente de correlacioacuten R2=0978 lo cual no indica un relacioacuten
causa-efecto importante entre las dos variables sino que esto se debe a otras variables
no incluidas como la posicioacuten y distancia de cada elemento interno del equipo respecto
a la fuente de iluminacioacuten
Se establecioacute una base importante a partir del equipo construido con el modelo del
prototipo del espectrofotoacutemetro desarrollado para que futuras investigaciones puedan
mejorar y configurar el prototipo de manera que pueda ser utilizado para medir
fluorescencia y complementar el estudio de espectroscopiacutea
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
48
6 RECOMENDACIONES
Si bien es cierto que los resultados obtenidos del prototipo construido son satisfactorios
es necesario tener en cuenta algunos aspectos con los cuales se podraacute mejorar el equipo
en futuros trabajos Mejoras que no se las realizaron en la presente investigacioacuten por los
factores econoacutemico y de tiempo que se requiere para tal fin
Se recomienda mejorar la cubierta del equipo de manera que exista una buena sujecioacuten
con la estructura del mismo Ademaacutes sellar las juntas de la abertura del portamuestra
para evitar que la luz del ambiente se filtre al equipo sin afectar su funcionalidad
Adquirir un conjunto de celdas de cuarzo que permitan medir fluorescencia de manera
que el equipo pueda ser configurado para este fin permitiendo un estudio
complementario de las propiedades de absorcioacuten y emisioacuten de una moleacutecula
Profundizar la programacioacuten desarrollada o a su vez realizarla en otro software de
manera que se pueda implementar la pantalla LCD en el equipo para visualizar los
datos
Modificar la configuracioacuten espacial de los elementos internos de prototipo de tal
forma que se puedan hallar modelos matemaacuteticos que se ajusten de mejor manera a
los fenoacutemenos estudiados
Tratar de implementar un sistema oacuteptico al equipo para poder mantener la intensidad
de luz inicial de la fuente de excitacioacuten y condense dicha radiacioacuten en un solo haz de
luz
Aislar el fotodiodo de manera que no exista interferencia de la luz de excitacioacuten y
tampoco de otras bandas de difraccioacuten
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
49
CITAS BIBLIOGRAacuteFICAS
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
50
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
51
BIBLIOGRAFIacuteA
BERNARD Valeur amp MARIO Berberan (2002) Molecular Fluorescence WILEY-
VCH [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
CASTRO Mariacutea amp LITTER Marta (2009) Meacutetodos espectrofotomeacutetricos UV-VIS
CYTED [Fecha de consulta 15 de Junio de 2017]
DA COSTA Manuel (2009) Fluoroacutemetro Ocular ndash Upgrade (Tesis de Maestriacutea)
[Fecha de consulta 23 de mayo de 2017]
GUILBAULT George (1997) Practical Fluorescence DEKKER [Fecha de consulta
15 de mayo de 2017]
HARRIS Daniel (2007) Anaacutelisis Quiacutemico Cuantitativo REVERTEacute [Fecha de consulta
02 de mayo de 2017]
HERNANDEZ Lucas amp GONZALEZ Claudio (2002) Introduccioacuten al Anaacutelisis
Instrumental Ariel [Fecha de consulta 05 de Junio de 2017]
LAKOWICZ Joseph amp GEDDES (2006) Principles of Fluorescence Spectroscopy
SPRINGER [Fecha de consulta 15 de mayo de 2017]
MARTINEZ M amp MOCTEZUMA C (2006) Espectrofluorimetriacutea UNAM Meacutexico
[Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httppt7mdvceingebiunammxcomputopdfsmetespectrofluorimetriapdf
MICHAEL Gore (2000) Spectrometry and Spectrofluorimetry a practical approach
Oxford [Fecha de consulta 06 de Junio de 2017]
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
52
OLSEN Eugine (1998) Meacutetodos oacutepticos de anaacutelisis REVERTEacute [Fecha de consulta
20 de abril de 2017]
PALMER Christopher amp LOEWEN Erwin (2005) Diffraction Grating Handbook
NEW PORT CORPORATION [Fecha de consulta 03 de Junio de 2017]
RODRIGUEZ Joseacute amp VIRGOS Joseacute (2007) Fundamentos de oacuteptica ondulatoria
Universidad de Oviedo [Fecha de consulta 07 de Junio de 2017]
RUALES Evelyn (2015) Disentildeo Construccioacuten y Automatizacioacuten de un
Espectrofluoriacutemetro Aplicacioacuten en el Anaacutelisis de Riboflavina en Multivitamiacutenicos (Tesis
de pregrado) [Fecha de consulta 05 de mayo de 2017]
SAVALL Francisco DOMENECH Joseph amp MARTINEZ Joaquiacuten (2014) El
espectroscopio cuantitativo como instrumento para la construccioacuten y uso de modelos de
absorcioacuten de radiacioacuten en fiacutesica cuaacutentica Ensino de Fiacutesica V36 n4 [Fecha de consulta
03 de Junio de 2017]
SKOOG Douglas WEST D JAMES H (2001) Fundamentos de Quiacutemica Analiacutetica
Volumen 2 REVERTEacute [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017]
UNIVERSIDAD DE ALICANTE (2010) Emisioacuten de luz Espectro de frecuencias y ley
del cuadrado de la distancia [Fecha de consulta 18 de mayo de 2017] Disponible en
httpsruauaesdspacebitstream10045165671Espectro20visible20Ley20del
20cuadrado20de20la20distanciapdf
UNIVERSIDAD DE VALENCIA (2008) Teoriacutea de Absorbancia cuadernillo [Fecha
de consulta 20 de abril de 2017] Disponible en
httpwwwuvesqflab2016_17descargascuadernillosqf1castellanoTeoriaAbsorban
ciapdf
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
53
ANEXOS
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
54
ANEXO A TABLA DE DATOS PARA LA CALIBRACIOacuteN DE LA RED DE
DIFRACCIOacuteN
COLOR
ANGULO
θ (grados) λ (nm)
RANGOS
TEORICOS
ANGULO
OPERACION SEN (θ)
ROJO
80 701333
620-750
10 098480775
79 692567 11 098162718
78 683800 12 09781476
77 675033 13 097437006
76 666267 14 097029573
75 657500 15 096592583
74 648733 16 09612617
73 639967 17 095630476
72 631200 18 095105652
71 622433 19 094551858
NARANJA
70 613667
590-620
20 093969262
69 604900 21 093358043
68 596133 22 092718385
AMARILL
O
67 587367 570-590
23 092050485
66 578600 24 091354546
VERDE
65 569833
496-570
25 090630779
64 561067 26 089879405
63 552300 27 089100652
62 543533 28 088294759
61 534767 29 087461971
60 526000 30 08660254
59 517233 31 08571673
58 508467 32 08480481
57 499700 33 083867057
AZUL
56 490933
450-495
34 082903757
55 482167 35 081915204
54 473400 36 080901699
53 464633 37 079863551
52 455867 38 078801075
VIOLETA 51 447100
380-450 39 077714596
50 438333 40 076604444
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
55
ANEXO B DISENtildeO EN AUTOCAD DEL EQUIPO Y SUS COMPONENTES
INTERNOS
Vista 3D del Prototipo construido
Vista 3D del Porta muestra Rendija de salida de luz
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
56
Vista superior del modelo construido
Prototipo construido
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
57
ANEXO C DIAGRAMA DE BLOQUES DE PROGAMACIOacuteN E INTERFAZ
DE OPERACIOacuteN EN LabVIEW
Diagrama de bloques de Programacioacuten en LabVIEW
Interfaz de operacioacuten del programa desarrollado
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
58
Esquema de conexioacuten de la tarjeta Arduino UNO
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
59
ANEXO D ESTIMACIOacuteN DE COSTOS DEL PROYECTO
ELEMENTOS ELEacuteCTRICOS Y ELEacuteCTRICOS
Cantidad Elemento Adquisicioacuten Costo
2 Laacutempara de arco de xenoacuten Quito LED $ 5500
1 Lente condensador Nikon Abbe (125
AN)
Ebay $ 2499
10 Kit Red de Difraccioacuten 13500 lininch Ebay $ 1000
3 Fotodiodo HS1010CE Amazon $ 850
2 Servomotor Tower Pro SG90 Mega Electronics $ 877
1 Fuente 12V 10A Mega Electronics $ 2456
1 Tarjeta Arduino UNO AlluC $ 1930
1 Moacutedulo LCD 16X2 AlluC $ 1009
40 Cables M-M AlluC $ 440
20 Cables M-H AlluC $ 220
1 Releacute AlluC $ 300
1 Adaptador tarjeta SD para ArduinoUNO AlluC $ 450
1 Tarjeta SD 2GB Mega Electronics $ 300
1 Sensor LM135 AlluC $ 450
1 Conector M de cable de poder Electroacutenica del
norte
$ 100
1 BotoacutenInterruptor AlluC $ 1120
2 Baquelitas perforadas AlluC $ 192
1 Ventilador Electroacutenica del
norte
$ 400
ELEMENTOS INTERNOS Y MATERIALES VARIOS
1 Rendija de acriacutelico negro (Φ=380cm) $ 250
1 Portamuestra de acriacutelico negro
(1155cm)
$ 850
1 Portacelda de acriacutelico negro con rendija $ 225
1 Soporte para servomotor de acriacutelico
negro
$ 350
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775
60
1 Pared de balsa $ 300
1 Estantildeo para suelda $ 300
12 Pernos alen con tuerca $ 525
12 Postes metaacutelicos 18 $ 432
ESTRUCTURA DEL EQUIPO
1 Carcasa de acero Sertemec $ 125
1 Tapa de acero con puerta corrediza Sertemec $ 25
1 Pintura electrostaacutetica Green CAR $ 60
REACTIVOS Y MATERIAL DE LABORATORIO
1 Rodamina B FIQ ndash UCE $ 000
1 Rodamina 6G FIQ ndash UCE $ 000
1 Celda de cuarzo FIQ ndash UCE $ 000
1 Cuacutercuma Camari $ 300
1 Etanol 95 (litro) Casa de Quiacutemico $ 150
TOTAL $44775