universidad central del ecuador facultad de …dispuesto en el art. 144 de la ley orgánica de...
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Estudio comparativo para la selección del detector de un prototipo de
espectrofotómetro de luz visible
Trabajo de titulación, modalidad propuesta tecnológica para la obtención del título de
Ingeniero Químico
AUTOR: Jaisson David López Veloza
TUTOR: Ing. Diego Roberto Flores Oña, Msc.
QUITO, 2019
ii
DERECHOS DE AUTOR
Yo, Jaisson David López Veloza en calidad de autor y titular de los derechos morales y
patrimoniales del trabajo de titulación, modalidad propuesta tecnológica, “ESTUDIO
COMPARATIVO PARA LA SELECCIÓN DEL DETECTOR DE UN PROTOTIPO
DE ESPECTROFOTÓMETRO DE LUZ VISIBLE”, de conformidad con el Art. 114 del
CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS,
CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, concedo a favor de la Universidad Central del Ecuador
una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la obra, con
fines estrictamente académicos. Conservo a mi favor todos los derechos de autor sobre la
obra, establecidos en la normativa citada.
Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la digitalización y
publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de conformidad a lo
dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de
expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad por
cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la Universidad de
toda responsabilidad.
Firma: ___________________________
Jaisson David Lopez Veloza
CC: 1729711513
iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
Yo, Diego Roberto Flores Oña en calidad de tutor del trabajo de titulación, modalidad
propuesta tecnológica: “ESTUDIO COMPARATIVO PARA LA SELECCIÓN DEL
DETECTOR DE UN PROTOTIPO DE ESPECTROFOTÓMETRO DE LUZ
VISIBLE”, elaborado por el estudiante Jaisson David López Veloza de la Carrera de
Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador,
considero que el mismo reúne los requisitos y méritos necesarios en el campo metodológico
y en el campo epistemológico, para ser sometido a la evaluación 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 titulación determinado por la Universidad Central del
Ecuador.
En la ciudad de Quito, a los 02 días del mes de mayo de 2019.
______________________
Ing. Diego Roberto Flores Oña. Msc.
DOCENTE-TUTOR
CC. 1719444026
iv
A Dios por darme las fuerzas a lo largo de todo este
proceso.
A la memoria de mi abuelo Carlos, quien siempre
creyó en mí.
A mis padres quien siempre han estado en cualquier
circunstancia brindándome su apoyo incondicional.
A Nico y Ledy por ser los pilares fundamentales para
conseguir esta meta.
v
AGRADECIMIENTOS
A Dios por guiar mi camino durante todo este proceso y permitirme superar cualquier
dificultad y seguir adelante con más fuerza.
A Nico y Ledy que siempre han estado apoyándome y evitando que desfallezca ante las
adversidades, por sacrificar su tiempo cuando era necesario para que pudiera continuar y
cumplir esta meta.
A mis padres quien siempre han estado conmigo, dándome su apoyo de todas las formas
posibles, siendo un ejemplo de vida a seguir, queriendo siempre lo mejor para mí y mis
hermanos.
A mis hermanos Felipe y José, quienes me han dado ánimo en momentos difíciles, espero no
haber fallado en ser el buen ejemplo que siempre han visto en mí.
A mi tutor Ing. Diego Flores, que desde el principio de este proyecto y hasta el final, me
apoyó y brindó su tiempo.
A mis amigos por brindarme todo su apoyo, su confianza y sumar a mi vida grandes
experiencias.
vi
CONTENIDO
pág.
LISTA DE TABLAS ......................................................................................................... x
LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................... xi
LISTA DE ANEXOS ...................................................................................................... xiii
RESUMEN ..................................................................................................................... xiv
ABSTRACT .................................................................................................................... xv
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1
1. MARCO TEÓRICO ............................................................................................. 3
1.1 Espectrofotometría ............................................................................................... 3
1.1.1 Radiación electromagnética. ................................................................................. 3
1.1.2 Radiación electromagnética y su interacción con la materia .................................. 4
1.1.3 Espectro electromagnético .................................................................................... 4
1.1.4 Transiciones electrónicas ...................................................................................... 6
1.1.5 Diagrama de Jablonski ......................................................................................... 7
1.1.6 Espectrofotometría UV-visible ............................................................................. 7
1.1.7 Grupos cromóforos y auxocromos ........................................................................ 8
1.1.8 Transmitancia y absorbancia ................................................................................ 8
1.1.9 Ley de Lambert – Beer ......................................................................................... 9
1.1.10 Limitaciones de la ley de Lambert – Beer ........................................................... 10
vii
1.2 Espectrofotómetro .............................................................................................. 11
1.2.1 Fuente de iluminación ........................................................................................ 12
1.2.2 Selector de longitud de onda ............................................................................... 12
1.2.3 Compartimento de la muestra ............................................................................. 13
1.2.4 Detector ............................................................................................................. 14
1.2.5 Ruido ................................................................................................................. 14
2. METODOLOGÍA .............................................................................................. 16
2.1 Elementos internos modificados ......................................................................... 16
2.1.1 Monocromador ................................................................................................... 16
2.1.1.1 Rendijas ............................................................................................................. 16
2.1.1.2 Red de difracción ............................................................................................... 17
2.1.2 Tarjeta programable ........................................................................................... 19
2.1.3 Detectores .......................................................................................................... 20
2.1.3.1 Sensor TEFD4300 .............................................................................................. 21
2.1.3.2 Sensor LDR........................................................................................................ 22
2.1.3.3 Sensor TSL257 ................................................................................................... 23
2.1.3.4 Sensor TCS3200................................................................................................. 24
2.1.3.5 Características generales de los sensores o detectores de luz ............................... 25
2.2 Estructura del espectrofotómetro ........................................................................ 26
2.2.1 Estructura o base ................................................................................................ 26
2.2.2 Tapa metálica ..................................................................................................... 27
2.3 Software utilizado .............................................................................................. 28
2.3.1 Plataforma Arduino ............................................................................................ 28
viii
2.3.2 Plataforma LabVIEW ......................................................................................... 29
2.4 Pruebas preliminares .......................................................................................... 31
2.4.1 Pruebas con los sensores..................................................................................... 32
2.4.1.1 Prueba sensor Tefd4300 ..................................................................................... 33
2.4.1.2 Prueba sensor LDR sin módulo .......................................................................... 34
2.4.1.3 Pruebas sensor Tsl257 ........................................................................................ 35
2.4.1.4 Pruebas sensor Tcs3200...................................................................................... 37
2.4.1.5 Pruebas sensor LDR con módulo ........................................................................ 38
2.4.2 Prueba con solución coloreada ............................................................................ 39
2.4.3 Pruebas interfaz virtual ....................................................................................... 40
3. CÁLCULOS Y RESULTADOS ......................................................................... 42
3.1 Cálculos y diseño ............................................................................................... 42
3.1.1 Ángulos de difracción......................................................................................... 42
3.2 Mejoras realizadas al prototipo de espectrofotómetro ......................................... 45
3.3 Puesta en marcha del equipo .............................................................................. 48
3.3.1 Solución A: Rodamina B .................................................................................... 49
3.3.2 Solución B: Rodamina 6G .................................................................................. 54
3.3.3 Solución C: Cúrcuma ......................................................................................... 55
3.4 Resultados ......................................................................................................... 56
3.5 Costo de los detectores de prueba ....................................................................... 56
4. DISCUSIÓN ...................................................................................................... 57
ix
5. CONCLUSIONES ............................................................................................. 61
6. RECOMENDACIONES .................................................................................... 62
CITAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................ 63
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 65
ANEXOS ......................................................................................................................... 68
x
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Colores de luz visible .......................................................................................... 5
Tabla 2. Características de los detectores ......................................................................... 25
Tabla 3. Datos sensor Tefd4300 ....................................................................................... 34
Tabla 4. Datos sensores LDR ........................................................................................... 35
Tabla 5. Datos sensor Tsl257 ........................................................................................... 36
Tabla 6. Datos sensor TCS3200 ....................................................................................... 37
Tabla 7. Datos sensor LDR con módulo ........................................................................... 38
Tabla 8. Colores del espectro visible en función de los ángulos de difracción. .................. 42
Tabla 9. Ángulos de giro y longitudes de onda ................................................................. 43
Tabla 10. Mejoras realizadas al prototipo de espectrofotómetro........................................ 46
Tabla 11. Datos obtenidos - Solución A ........................................................................... 49
Tabla 12. Resultados de los picos de absorción ................................................................ 56
Tabla 13. Costo de los detectores ..................................................................................... 56
xi
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Espectro electromagnético. .................................................................................. 6
Figura 2. Diagrama de Jablonski. ....................................................................................... 7
Figura 3. Diagrama de absorción de un haz de luz atravesando una cuveta de tamaño l .... 10
Figura 4. Esquema de una medida de la absorción de radiación UV-VIS empleando un
espectrofotómetro de haz simple. .................................................................................... 12
Figura 5. Rendijas utilizadas tamaño de hendidura ........................................................... 17
Figura 6. Redes de difracción utilizadas de 13500 líneas/pulgada doble eje, 1000 líneas/mm
lineal y 500 líneas/mm lineal ............................................................................................ 18
Figura 7. Espectro visible empleando la rendija de 500 líneas/mm lineal .......................... 19
Figura 8. Arduino UNO - Arduino Nano .......................................................................... 20
Figura 9. Detectores ........................................................................................................ 20
Figura 10. Detector Tefd4300 ......................................................................................... 21
Figura 11. Sensibilidad espectral relativa = f (longitud de onda), sensor TEFD4300 ......... 22
Figura 12. Detectores LDR ............................................................................................. 23
Figura 13. Sensibilidad relativa = f (longitud de onda), LDR ............................................ 23
Figura 14. Responsividad relativa = f (longitud de onda), sensor TSL257 ........................ 24
Figura 15. Funcionamiento del sensor Tcs3200 ............................................................... 24
Figura 16. Placa electrónica para colocación de sensores .................................................. 26
Figura 17. Estructura prototipo espectrofotómetro anterior y actual .................................. 27
Figura 18. Tapas metálicas prototipos FIQ 01-VIS y FIQ 02-VIS..................................... 27
Figura 19. Interfaz software Arduino ................................................................................ 29
Figura 20. Programación mediante bloques LabVIEW ..................................................... 30
Figura 21. Interfaz gráfica de control LabVIEW............................................................... 31
xii
Figura 22. Esquema del camino óptico prototipo FIQ 02-VIS .......................................... 32
Figura 23. Detectores instalados ....................................................................................... 33
Figura 24. Espectro de absorción Rodamina B (tres concentraciones diferentes),
Espectrofotómetro Agilent Cary 60 .................................................................................. 39
Figura 25. Potencial = f (ángulo de giro), prototipo de espectrofotómetro. ........................ 40
Figura 26. Potencial=f (ángulo de giro) uso de filtro virtual.............................................. 41
Figura 27. Curva de calibración de la red de difracción .................................................... 45
Figura 28. Potencial = f (Longitud de onda), Blanco Agua ............................................... 51
Figura 29. Potencial = f (longitud de onda), Solución de Rodamina B .............................. 52
Figura 30. Espectro de absorción, Rodamina B ................................................................ 53
Figura 31. Gráficas generadas mediante el software LabVIEW ........................................ 54
Figura 32. Espectro de absorción, Rodamina 6G .............................................................. 55
Figura 33. Espectro de absorción, Cúrcuma...................................................................... 55
xiii
LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Tabla de datos espectro de absorción Rodamina 6G. ........................................ 69
Anexo B. Tabla de datos espectro de absorción Cúrcuma. ................................................ 71
Anexo C. Prototipo construido ......................................................................................... 73
Anexo D. Plano 3D prototipo FIQ 02-VIS ....................................................................... 74
Anexo E. Códigos de programación Arduino y LabVIEW ............................................... 76
xiv
Estudio comparativo para la selección del detector de un prototipo de
espectrofotómetro de luz visible
RESUMEN
Estudio comparativo para la selección del detector para un prototipo de espectrofotómetro
que funciona en el rango del espectro visible, con la finalidad de que los espectros de
absorción obtenidos por este equipo sean fiables.
Para lo cual se desarrollaron pruebas experimentales con cinco diferentes detectores que
presentan sensibilidad dentro del espectro visible. Mediante estas pruebas y el análisis de las
señales de salida de cada detector se determinó que el mejor es el modelo LDR con módulo,
el cual permite establecer una relación voltaje – longitud de onda adecuada y no presenta una
variación de potencial mayor a 0,01 voltios en un mismo punto de giro de la red de difracción.
Además, se realizó el rediseño del equipo tanto en su estructura como en la geometría
espacial de sus elementos internos con la finalidad de reducir la incidencia de luz externa. Se
creó un programa en el software LabVIEW, el cual permitió manejar los elementos internos
del prototipo y visualizar los datos generados por el mismo para su interpretación. Con este
detector ya instalado en el prototipo se realizaron pruebas con tres diferentes compuestos
orgánicos coloreados, de los cuales se obtuvieron sus espectros de absorción que resultan
similares a los obtenidos en un espectrofotómetro comercial, por lo que se concluye que el
detector seleccionado presenta las características necesarias para ser utilizado en el prototipo
de espectrofotómetro desarrollado.
PALABRAS CLAVE: ESPECTROFOTÓMETRO / ESPECTRO_VISIBLE /
ESPECTRO_DE_ABSORCION/ DETECTOR.
xv
Comparative study for the detector selection of a visible light spectrophotometer
prototype
ABSTRACT
Comparative study for the selection of the detector for a spectrophotometer prototype which
works in the range of visible spectrum, in order that the absorption spectra obtained from this
equipment are reliable.
Experimental tests were developed using five different detectors which present sensitivity
within the visible spectrum range. Through these tests and the analysis of the output signals
of each detector, it was determined that the LDR model with module is the best detector,
which allows to establish an adequate voltage-wavelength, and does not present a potential
variation higher than 0,01 volts at the same point of rotation in the diffraction network. In
addition, a redesign of the equipment was performed in the structure as well as in the spatial
geometry of its intern elements; with the purpose of reducing the incidence of a external light.
A program was developed using the LabVIEW software, which allows to drive the internal
elements of the prototype, and to visualize the generated data for their interpretation. With
this detector (already installed in the prototype), tests were performed with three different
colored organic compounds from which their absorption spectra were obtained. These spectra
result to be similar to the ones obtained through a commercial spectrophotometer. Finally, it
could be concluded that the selected detector presents the necessary characteristics to be used
in the developed spectrophotometer prototype.
KEYWORDS: SPECTROPHOTOMETER / VISIBLE SPECTRUM / ABSORTION
SPECTRUM/ DETECTOR.
1
INTRODUCCIÓN
La espectrofotometría es un importante método cuantitativo, el cual se basa en la capacidad
que tienen las moléculas de absorber o dejar pasar longitudes específicas de ondas
electromagnéticas.
El espectrofotómetro es el equipo con el cual se puede medir la cantidad de luz absorbida por
las moléculas, permitiendo obtener información acerca de la naturaleza de las moléculas
presentes en la muestra además de su concentración. La estructura básica de un
espectrofotómetro consta de una fuente de iluminación, el monocromador, el compartimiento
para la muestra y el detector. El funcionamiento de este se basa en que la luz proveniente de
la fuente de iluminación es disgregada por el sistema monocromador en las diferentes
longitudes de onda, las cuales son dirigidas sobre la muestra y posteriormente inciden sobre
el detector.
En vista de la importancia de la espectrofotometría dentro de la investigación y en diversas
aplicaciones industriales, se propuso desarrollar un prototipo de espectrofotómetro, el cual
pudiera generar espectros de absorción de diversas moléculas. De esta forma se construyó el
primer prototipo, FIQ 01-VIS, desarrollado en el 2018 en la Facultad de Ingeniería Química
de la Universidad Central del Ecuador, el cual dio buenos resultados, pero presentaba
variaciones considerables en los datos emitidos por el detector, que es el componente
encargado de convertir las señales receptadas a datos cuantificables que se puedan relacionar
con la absorción; por lo que resultó factible desarrollar mejoras en el equipo y se construyó
un nuevo prototipo, el FIQ 02-VIS, en donde se evaluaron diferentes detectores para
solucionar los problemas del primer prototipo.
Para llevar a cabo este estudio, primero se mitigó otro problema que presentaba el prototipo
FIQ 01-VIS el cual era la incidencia de luz externa sobre el detector la cual pudo alterar los
datos obtenidos. Con la finalidad de evitar que este problema ocurriera, se realizó un rediseño
2
a su estructura y a la geometría espacial de sus elementos internos, además de instalar cierres
magnéticos y un empaque de corcho a su cubierta.
Con la finalidad de generar mejores resultados, se cambiaron elementos internos del prototipo
de espectrofotómetro como lo son el sistema monocromador, compuesto por una rendija, una
red de difracción y el servomotor. Estos elementos fueron seleccionados bajo el criterio de
proyectar un espectro visible con mejores características al proyectado por el sistema
monocromador anterior.
Luego de haber generado los cambios al prototipo, se realizaron las pruebas experimentales
con cinco detectores diferentes, los cuales presentan sensibilidad al rango del espectro
visible. Estos sensores fueron instalados en el prototipo y los datos generados por cada uno
de estos fueron utilizados para determinar si resultaban adecuados para el prototipo. Los
criterios en los que se basó la selección del detector fueron que permitiera establecer una
relación evidente voltaje – longitud de onda y que presentara la menor variación de potencial
posible, sobre un mismo punto correspondiente al giro de la red de difracción.
El detector seleccionado bajo este estudio es el sensor LDR con módulo, el cual cumple con
los criterios de selección establecidos. Una vez instalado este detector, se desarrolló un
programa en el software LabVIEW, el cual permite el control de los elementos internos del
espectrofotómetro además de la visualización de los datos generados por el mismo. Dentro
de esta programación se insertaron filtros electrónicos con la finalidad de mitigar el ruido
que distorsionaba el espectro de absorción obtenido mediante el prototipo de
espectrofotómetro. Los espectrofotómetros comerciales incorporan como detectores costosos
tubos fotomultiplicadores los cuales intensifican la señal receptada además de presentar
resistencia al ruido producido.
Una vez desarrollada la programación se realizaron pruebas con tres moléculas diferentes:
rodamina B, rodamina 6G y cúrcuma, dando como resultado espectros de absorción similares
a los obtenidos mediante un espectrofotómetro comercial.
3
1. MARCO TEÓRICO
1.1 Espectrofotometría
La espectrofotometría es uno de los métodos espectroscópicos basados en la interacción de
la radiación electromagnética sobre la materia. Específicamente se refiere a la cantidad de
luz que puede absorber una sustancia química presente en una muestra. Cada sustancia
química presenta un comportamiento único frente a la radiación, que depende de la
disposición espacial de sus átomos y enlaces lo que hace posible su identificación. (Casado,
2012)
La espectrofotometría es uno de los métodos más utilizados para los análisis cuantitativos en
los diversos campos como la química, bioquímica e ingeniería de los materiales, referente a
técnicas espectroscópicas.
1.1.1 Radiación electromagnética.
La radiación electromagnética se describe por medio de un modelo ondulatorio que incorpora
características como longitud de onda (λ), frecuencia (ν), velocidad (𝑐) y amplitud (A). Este
fenómeno ondulatorio no requiere medio de soporte para su transmisión, por tanto, pasa con
facilidad por el vacío.
Desde el punto de vista de energía, los fotones son paquetes de energía sin masa, portadores
de todas las formas de radiación electromagnética incluyendo a los rayos gamma, los rayos
X, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja, microondas y las ondas de radio. Cada fotón
transporta una cantidad definida de energía (E), esta energía se visualiza en la Ecuación 1:
𝐸 = ℎ𝑣 =ℎ𝑐
𝜆
(1)
Donde:
h = es la constante de Planck (6.62618𝑥10−34 𝐽 ∗ 𝑠)
4
𝑣 = frecuencia (𝑠−1) que corresponde al número de oscilaciones completas de una onda en
un segundo
c = velocidad de la luz (2.998 𝑥 108 𝑚
𝑠) en el vacío
λ = longitud de onda (nm)
Para el espectro de luz visible, la energía calculada que es transportada por un fotón es de
alrededor 4𝑥10−19 𝑗𝑢𝑙𝑖𝑜𝑠. (MONSERRAT, 2018)
1.1.2 Radiación electromagnética y su interacción con la materia
Todos los átomos o moléculas cuentan con un número determinado de niveles de energía.
Estos átomos o moléculas se encuentran principalmente en su estado basal o fundamental,
que es su estado energético más bajo. La absorción de radiación ultravioleta o visible por un
átomo o molécula S, desarrolla un proceso de excitación electrónica en el cual un electrón de
la especie S es promovido a un estado de energía elevado.
𝑆 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛 (ℎ𝑣) → 𝑆∗ ( 2)
Posteriormente S* se somete a un proceso de emisión, el cual consiste en la conversión de la
energía de excitación en calor (conversión interna) o en liberación de energía en forma de
luz (fluorescencia o fosforescencia), donde regresa a su estado fundamental S. El tiempo de
vida estimado de la especie excitada es (10−8 𝑎 10−9 𝑠), a excepción de cundo sucede
fosforescencia el cual no es un proceso natural (estado cuántico espacial) ver figura 2.
En base a lo anterior, es posible adquirir información del analito presente en la muestra al
medir la cantidad de radiación electromagnética que es absorbida para el proceso de
excitación o emitida cuando regresa a su estado fundamental. (Skoog, Holler, & Crouch,
2008)
1.1.3 Espectro electromagnético
El espectro electromagnético está conformado por todas las radiaciones electromagnéticas,
ordenadas por el tamaño de longitud de onda u orden de frecuencia. Estas tienen una relación
5
inversamente proporcional, es decir a menor longitud de onda mayor frecuencia. Las zonas
definidas en el espectro electromagnético son las siguientes: Ondas de radio, microondas,
infrarrojo, luz visible, rayos ultravioletas, rayos X y los rayos gamma como se puede observar
en la figura 1.
La zona del espectro electromagnético en la cual se enfoca este estudio es la zona de luz
visible. El ojo humano es sensible a esta zona la cual se encuentra comprendida por las
radiaciones electromagnéticas entre 700 nm y 400 nm. En la figura 1 se muestra todo el
espectro electromagnético, identificadas sus zonas, con sus respectivas longitudes de onda.
Cuando se somete a una sustancia a radiación, implica que una porción de radiación UV-
visible es absorbida y la radiación electromagnética que no es absorbida, es transmitida o
reflejada a través de la muestra. Esta es la que puede ser captada por el ojo humano, es decir
es el color de la sustancia. (MOLINA, 2017)
Tabla 1. Colores de luz visible (Sanz, 2014)
λ (nm) longitud de
onda de máxima
absorbancia
Color absorbido Color observado
400-430 Violeta Amarillo
430-470 Azul Anaranjado
470-500 Verde - Azulado Rojo
500-520 Verde Purpura
520-540 Verde - Amarillento Violeta
540-590 Amarillo Azul – Violáceo
590-610 Anaranjado Azul
610-700 Rojo Verde
6
Figura 1. Espectro electromagnético. Luz visible (400-700nm)
1.1.4 Transiciones electrónicas
Hay que considerar tres tipos de transiciones electrónicas y clasificar las especies absorbentes
en base a ellas:
Transiciones electrónicas que implican electrones π, σ, y n para moléculas orgánicas
Transiciones electrónicas que implican electrones d y f para metales de transición
Transiciones electrónicas que implican electrones de transferencia de carga para
complejos metálicos. (López, 2019)
Las transiciones electrónicas se ven limitadas por las reglas de selección cuánticas, las cuales
postulan lo siguiente:
Primera regla: Solo un electrón puede estar implicado en una transición.
Segunda regla: Regla de selección de espín. No se puede modificar la dirección del
espín.
Tercera regla: Regla de selección de Laporte. En una molécula con centro simétrico,
las únicas transiciones permitidas son aquellas en las que hay un cambio de polaridad.
Esta regla prohíbe las transiciones de electrones entre orbitales del mismo subnivel
(f-f o d-d), ya que estos orbitales tienen la misma polaridad. (Atkins & DePaula, 2006)
Energía (Kcal/mol)
>300 300-30 30-1 10-4 10-6
Rayos
Gamma Rayos X
Luz ultravioleta
Luz visible
Radiación infrarroja
Microondas Ondas de
Radio
10-6 10-4 10-1 0,4
0,8 102 106 1010
Longitud de onda (m)
7
1.1.5 Diagrama de Jablonski
El diagrama de Jablonski permite visualizar los procesos de absorción y emisión que
presentan las moléculas al ser irradiadas con luz: Absorción de energía de la molécula o
átomo que se encuentra en un estado fundamental (S) a un nivel energético electrónico,
excitado (S*) y regreso al estado fundamental a través de los diferentes estados electrónicos
singlete S1 y/o triplete T1, mediante los procesos de emisión como son la conversión interna,
fluorescencia o fosforescencia. (GIDOLQUIM, 2014)
Figura 2. Diagrama de Jablonski.
1.1.6 Espectrofotometría visible
La espectrofotometría visible se basa fundamentalmente en la absorción de la radiación
electromagnética de las sustancias en la zona visible del espectro. Cuando parte de esta
radiación es absorbida por el compuesto, se produce la promoción de un electrón a un nivel
de energía superior, es decir la molécula pasa a un estado excitado de mayor energía.
(Gallego, Garcinuño, & Morcillo, 2013)
Las mediciones realizadas mediante espectrofotometría visible se basan en la capacidad que
tiene cada sustancia de absorber y transmitir la radiación electromagnética que incide sobre
esta.
8
1.1.7 Grupos cromóforos y auxocromos
Los grupos cromóforos son grupos funcionales de la molécula que permiten la absorción de
energía naturalmente; principalmente son dobles y triples enlaces carbono-carbono, sistemas
aromáticos, grupo carbonilo, imino (C=N) y diazo (N=N). Los saltos electrónicos producidos
son entre los electrones π π*.
Los grupos auxocromos son aquellos que por sí solos no absorben energía, principalmente
son los grupos funcionales halógenos, hidroxi, alcoxi, amino. Estos grupos funcionales
poseen electrones de valencia no enlazantes, n, que no absorben a λ > 220 nm, pero muestran
absorción intensa de radiación en el UV lejano (180-200 nm). (Fernandez, 2014)
La absorción de la radiación se debe a que los electrones de las moléculas pasan a un estado
excitado, por la acción de una cantidad de energía definida. En las moléculas con varios
dobles o triples enlaces conjugados las diferencias entre niveles de energía se acortan, y la
energía correspondiente a la luz visible es suficiente para promover transiciones electrónicas
permitidas entre orbitales.
1.1.8 Transmitancia y absorbancia
La Transmitancia (T) se define como la relación entre la cantidad de luz que es transmitida
o que pasa a través de la muestra y la cantidad de luz que incide inicialmente sobre la muestra.
𝑇 = 𝐼
𝐼0
( 3)
Donde:
𝐼0 = Intensidad de luz incidente
I = Intensidad de luz que atraviesa la celda
Cuando un haz de luz incide sobre una sustancia, parte de este es absorbido por moléculas
que cuenten en su estructura con al menos un grupo cromóforo y el haz de luz restante
atraviesa la sustancia; la absorbancia (A) es directamente proporcional a la cantidad de luz
absorbida por el soluto, así como la cantidad de luz que atraviesa la disolución es
proporcional a la transmitancia.
9
La Absorbancia matemáticamente corresponde al logaritmo negativo de la transmitancia.
(Kotz, Treichel, & Towsend, 2008)
𝐴 = − log 𝑇 = − log𝐼
𝐼0= log
𝐼0
𝐼
( 4)
1.1.9 Ley de Lambert – Beer
La ley de Lambert – Beer presenta una relación lineal que existe entre la absorbancia (A) y
concentración de la sustancia absorbente, por lo que esta ley es el fundamento de los análisis
espectroscópicos.
Esta ley establece que la cantidad de radiación electromagnética transmitida disminuye
exponencialmente al incrementar la concentración del analito absorbente. (Fernandez, 2014)
La ecuación de Lambert – Beer es la siguiente:
𝐴 = log𝐼0
𝐼= 𝜀 ∗ 𝑐 ∗ 𝑙 ( 5)
Donde:
A = Absorbancia
l = Longitud de la cuveta en centímetros (cm)
c = Concentración del soluto en (mol/l)
𝜀 = Absortividad molar o coeficiente de extinción molar en (l/mol*cm), es específico para
cada molécula.
10
Figura 3. Diagrama de absorción de un haz de luz atravesando una cuveta de tamaño l.
(Departamento de Bioquímica y Biología Molecular, 2014)
1.1.10 Limitaciones de la ley de Lambert – Beer
La ley de Lambert – Beer representa una relación directamente proporcional entre la
absorbancia y la concentración de un soluto cuando la longitud de la cuveta es constante.
Esta relación puede presentar ciertas limitaciones. A continuación, se describen los
principales factores que limitan el uso de la ley de Lambert – Beer.
La concentración: esta ley solo se aplica en soluciones diluidas (<10−2 M). Las
soluciones concentradas, presentan distancias entre partículas del analito absorbente
muy pequeñas. Esto produce una modificación en las cargas de estas partículas lo cual
dificulta la capacidad de absorción a una longitud determinada del analito absorbente.
Presencia de impurezas en la solución a analizar.
Reacciones químicas que se presenten entre el analito absorbente y el solvente.
La ley de Lambert - Beer se aplica a radiaciones con una sola longitud de onda, cuando
se presenta la incidencia de más de una longitud de onda, esta ley no se aplica. (Serrano,
2007)
Una de las principales razones por las cuales se presentan errores en los análisis de
espectrofotometría visible es debido a la incidencia de luz externa sobre el detector, ya
11
que esta cantidad de luz al no ser constante presentara variaciones a las señales recibidas
por el detector.
Existen radiaciones indeseables internas que pueden incidir sobre el detector, a pesar de
que el tamaño de la rendija del monocromador sea estrecho, estas radiaciones al no ser
absorbidas por el analito, contribuyen a dar valores incorrectos de absorbancia.
(Villegas, Acereto, & Vargas, 2006)
1.2 Espectrofotómetro
El espectrofotómetro UV-Vis es el detector más utilizado para HPLC (high performance
liquid chromatography), la base para la detección UV-Vis es la diferencia en la absorción de
la luz por el analito y solvente.
En la Figura 4 se observa el diseño más sencillo de un espectrofotómetro UV-VIS. El
espectro se genera por una fuente de luz, como una lámpara de xenón o deuterio, la luz
generada por esta fuente de excitación pasa a través de un selector de longitud de onda el
cual puede ser un monocromador o un filtro. Este es utilizado para separar en diferentes
longitudes de onda la luz policromática. Además, estas longitudes pasan a través del
compartimento de la muestra y son detectadas por un sensor que en la mayoría de los
espectrofotómetros es un fotomultiplicador. Por último, las señales emitidas por el detector
son traducidas a señales digitales en un procesador. (Swadesh, 2000)
12
Figura 4. Esquema de una medida de la absorción de radiación UV-VIS empleando un
espectrofotómetro de haz simple. (Gallego, Garcinuño, & Morcillo, 2013)
1.2.1 Fuente de iluminación
Es el sistema encargado de iluminar la muestra, se tienen dos tipos de fuentes de iluminación:
continuas y discontinuas.
Las fuentes continuas emiten una radiación en forma de luz policromática, por ejemplo, para
el espectro UV-Vis se usan las lámparas de deuterio, xenón y de hidrógeno y para únicamente
el espectro visible lámparas de filamento de tungsteno. Las fuentes de iluminación con mayor
intensidad son las lámparas de arco llenas de gas a alta presión que contienen argón o xenón,
este tipo de fuentes son utilizadas en análisis de absorción molecular.
Las fuentes discontinuas emiten radiación de energía en longitudes de onda definidas, son
utilizados en absorción atómica, fluorescencia y Raman; un ejemplo clásico de estas fuentes
son los láseres.
1.2.2 Selector de longitud de onda
El selector de longitud de onda permite separar la radiación de luz policromática emitida por
la fuente de iluminación en las diferentes longitudes de onda y existen dos tipos:
monocromadores y filtros.
Los monocromadores permiten disgregar la radiación mediante un prisma o una red de
difracción, obteniendo longitudes de onda individuales. Los primeros monocromadores
utilizados fueron los prismas que eran fabricados de vidrio para el espectro visible o cuarzo
13
para el espectro UV-Vis, pero con el tiempo son cada vez menos utilizados. En la actualidad
se utilizan las redes de difracción o rejillas que permiten una mejor disgregación de la luz
policromática. Las redes de difracción son rejillas planas que presentan pequeñas hendiduras
ubicadas en un ángulo determinado, cada una de estas hendiduras se comporta como un
pequeño prisma, que en sus caras estrechas no reflejan luz y las caras anchas son reflectantes.
Existen dos clases de filtros: de absorción e interferencia. Los filtros de absorción en su
mayoría son vidrios o soluciones coloreadas montadas entre dos placas de vidrio. Esta clase
de filtros absorben ciertos intervalos de longitud de onda sin dejar de transmitir el resto y se
caracterizan por ser utilizados para trabajos en la región del espectro visible, además de ser
económicos.
Los filtros de interferencia son construidos en base a una serie de capas delgadas
semitransparentes de materiales con diferentes índices de refracción, son en su mayoría
utilizados para la región del espectro UV-VIS y para la región infrarrojo del espectro.
1.2.3 Compartimento de la muestra
El compartimento de la muestra, también llamados celdas o cuvetas representan el lugar
donde se va a depositar la muestra para realizar los análisis respectivos. Estas son construidas
de un material transparente para permitir el paso de la radiación electromagnética. Para el
espectrofotómetro UV-VIS se utilizan las que están construidas de cuarzo o sílice fundido.
Para el uso en el rango del espectro visible además se utilizan las de vidrio o plástico y en su
mayoría presentan una longitud de trayectoria de 1cm.
Estas celdas o cuvetas siempre deben estar en condiciones óptimas para llevar a cabo los
ensayos, es necesario que estas no presenten fisuras ni que estén rayadas, además de que
estén limpias y no presenten burbujas en su interior, para asegurar la fiabilidad de los
resultados.
Tanto los fotómetros como los espectrofotómetros pueden ser de un haz o de doble haz:
14
Un solo haz: solo existe un compartimiento para la muestra, esto quiere decir que primero
se necesitará introducir el blanco para su respectiva lectura, luego introducir la muestra a
analizar, cuantificar la absorbancia y realizar la comparación con los datos del blanco.
Doble haz: este cuenta con dos compartimentos para muestras. Luego de que el haz de
luz pasa por el selector de longitud de onda, este se dirige hacia un divisor de haz, el cual
dirigirá una parte de la radiación sobre el blanco y otra parte hacia la muestra problema.
La ventaja que presentan estos equipos es una mayor precisión en los resultados, debido
a que tanto el blanco como la solución problema son sometidas a las mismas
fluctuaciones de intensidad de luz.
1.2.4 Detector
El detector se ubica de manera en que la radiación electromagnética que es dirigida hacia la
muestra y no es absorbida incida sobre el detector para poder ser cuantificada. En los
espectrofotómetros UV-VIS son utilizados los detectores de fotones. Estos permiten que la
luz recibida por el detector produzca una liberación de electrones, generando una corriente
eléctrica que es proporcional a la radiación electromagnética recibida. En su mayoría son
fotodiodos, fototubos o tubos multiplicadores y también pueden ser celdas fotovoltaicas.
(Silva & Garcia, 2006).
1.2.5 Ruido
Las distorsiones o alteraciones que se presentan en las señales o valores de salida de los
sensores, son conocidas como ruido. Las señales manejan un ancho de banda sobre el cual
actúan los filtros diseñados para reducir estas alteraciones en la señal.
Existen diversas fuentes de ruido como por ejemplo cualquier elemento disipador y
elementos resistivos de los circuitos eléctricos. En los circuitos eléctricos se evidencian dos
clases de ruido, el debido a la temperatura (ruido térmico) y debido al movimiento aleatorio
de los portadores de corriente (ruido eléctrico), estas clases de ruido pueden reducirse
controlando la temperatura y modificando el diseño del circuito. (Ibarra & Serrano, 1999)
El tratamiento de señales digitales, puede ser también atendido mediante filtros digitales los
cuales pueden trabajar como un circuito digital o como un programa informático, el
15
funcionamiento se basa en la aplicación de un proceso matemático sobre las variaciones que
presentan las señales de entrada, con la finalidad de atenuar o amplificar ciertas frecuencias.
Existen diferentes tipos de filtros virtuales, los cuales se basan en la capacidad de manejar
las frecuencias, es decir, atenuar o permitir el paso de estas dentro de la señal emitida, como
lo son el caso de los filtros paso alto, paso bajo y paso banda.
16
2. METODOLOGÍA
Se elabora un estudio comparativo para la selección del detector de un prototipo de
espectrofotómetro de luz visible. Se contaba con un primer prototipo al cual se le realizaron
modificaciones referentes a elementos internos como en su estructura física, con la finalidad
de observar la funcionalidad de cada detector y mostrar los porcentajes de error en un medio
establecido.
2.1 Elementos internos modificados
Los elementos internos que modificaron fueron los siguientes: monocromador, tarjeta
programable y detector.
2.1.1 Monocromador
Este sistema está compuesto por una rendija y una red de difracción.
2.1.1.1 Rendijas
Para conseguir que la radiación proveniente de la fuente de iluminación no se disperse en
diferentes direcciones, se empleó una rendija, la cual tiene una hendidura por donde se
permite el paso de una cantidad de luz definida, la cual se dirigió hacia la red de difracción y
posteriormente hacia la muestra.
Para determinar cuál tamaño de hendidura es el apropiado para el prototipo se realizaron
pruebas con tres rendijas cada una de estas con tamaño de hendidura diferente. El modo de
evaluación para determinar el tamaño óptimo de hendidura fue cualitativo y se basó en cual
rendija proporcionaba un espectro de luz visible más apreciable, para posteriormente realizar
la calibración de la red de difracción. Los espectros de luz visible se proyectan
perpendicularmente a la red de difracción sobre la cara frontal interna del prototipo de
espectrofotómetro la cual se encuentra pintada de negro mate.
17
a) 0,4 mm
b) 0,8 mm
c) 1,2 mm
Figura 5. Rendijas utilizadas tamaño de hendidura
Con la rendija de 0,4 mm, la cantidad de luz que se dirigió hacia la red de difracción no
generó un espectro visible por lo que fue descartada. Al utilizar las rendijas de 0,8 mm y
1,2mm los haces de luz que pasaron a la red de difracción generaron un espectro visible
apreciable, con la diferencia de que a mayor tamaño de hendidura el espectro proyectado es
de mayor tamaño, no se realizaron pruebas con una rendija de hendidura de mayor tamaño,
debido a que, con la rendija de 1,2 mm, es notable la posición de los colores del espectro
visible, como se puede observar en la figura 7.
2.1.1.2 Red de difracción
Las redes de difracción empleadas son plásticas con una longitud de 5cm * 5cm, las cuales
están soportadas sobre el servomotor, se realizaron pruebas con tres redes de difracción
diferentes, con la finalidad de evaluar cuál de estas proporciona el espectro visible más
amplio y definido.
18
Figura 6. Redes de difracción utilizadas de 13500 líneas/pulgada doble eje, 1000
líneas/mm lineal y 500 líneas/mm lineal
La red de difracción de 13500 líneas/pulgada de doble eje proporciona varios espectros
visibles, pero muy estrechos, donde no se evidencian claramente los colores que componen
el espectro visible.
La red de difracción de 1000 líneas/mm lineal proporciona dos espectros visibles y amplios
en los cuales es posible evidenciar claramente todas las longitudes de onda del espectro. Esta
red presenta una dificultad debido a que los espectros son orientados hacia los laterales de la
estructura del espectrofotómetro, donde no es posible ubicar las muestras.
La red de difracción de 500 líneas/mm lineal proporciona dos espectros visibles amplios,
donde es posible evidenciar las longitudes de onda correspondientes al espectro visible, estos
espectros se orientan de forma perpendicular a la red de difracción, donde es posible colocar
las muestras, como se puede observar en la figura 7.
19
Figura 7. Espectro visible empleando la rendija de 500 líneas/mm lineal
2.1.2 Tarjeta programable
El prototipo de espectrofotómetro FIQ 01-Vis, contaba con una placa Arduino UNO, con la
cual era posible visualizar los datos emitidos por el detector mediante el desarrollo de un
programa. La programación de esta tarjeta hace posible que se puede mover el servomotor,
en el cual se encuentra montada la red de difracción, con la finalidad de que todo el espectro
visible sea dirigido hacia la muestra, además de que por medio de una interfaz se visualice la
señal emitida por el detector, las dimensiones de esta placa Arduino Uno son de (6.8 * 5.3)
centímetros y cuenta con una comunicación con puerto USB tipo B, para recibir y transmitir
los datos.
La placa Arduino Uno fue reemplazado por una placa Arduino nano, la cual presenta las
mismas características, en lo referente a conexiones y a su programación, con la ventaja que
cuenta con una presentación compacta con las siguientes dimensiones (4.5 * 1.8) centímetros
y una comunicación con puerto Mini-USB.
20
Figura 8. Arduino UNO - Arduino Nano
2.1.3 Detectores
Se seleccionaron varios detectores o sensores de luz capaces de lograr determinar las
diferentes longitudes de onda correspondientes al espectro visible, para ello se analizan los
siguientes elementos: LDR, TSL257, TCS3200 y TEFD4300, vistos en la Figura 9.
(ElectronicosCaldas, 2019)
Figura 9. Detectores (ElectronicosCaldas, 2019)
21
2.1.3.1 Sensor TEFD4300
Este detector es un fotodiodo compuesto por un material semiconductor de silicio, posee alta
sensibilidad a todo el espectro de luz visible e infrarroja (350 – 1120) nm. Además, el detector
es de tamaño pequeño no superior a 3 milímetros de diámetro y necesita un circuito adicional
para amplificar la señal y poder determinar el espectro de luz visible o infrarroja, tal como se
indica en la Figura 10. El sensor es utilizado para foto detectores de alta velocidad, sistemas
de transmisión de datos a alta velocidad en el aire, interruptores ópticos, contadores,
codificadores, sensores de posición, etc. (ElectronicosCaldas, 2019)
Figura 10. Detector Tefd4300 (Paredes, 2013)
Este detector presenta una sensibilidad espectral relativa en función de la longitud de onda,
lo cual permite establecer una relación entre el potencial en voltios y la longitud de onda
incidente sobre el detector.
Como se puede observar en la figura 11, este sensor presenta una sensibilidad máxima a 950
nm, es decir en el rango de espectro infrarrojo.
22
Figura 11. Sensibilidad espectral relativa = f (longitud de onda), sensor TEFD4300
2.1.3.2 Sensor LDR
Como su nombre lo indica LDR (resistencia dependiente de la luz), es un elemento pequeño
capaz de emitir las señales de salida a medida que se va variando la intensidad de luz. Por lo
general, es utilizado en muchas industrias, tales como: juguetes, lámparas, cámaras, entre
otros. Adicional se dispone de estos detectores que vienen ya hechos con circuitos adicionales
necesarios para su respectiva medición de luz en función de un voltaje establecido, visto en
la Figura 12.
23
Figura 12. Detectores LDR (ElectronicosCaldas, 2019; Tr3sdland, 2014)
Como se puede observar en la figura 13, este sensor presenta una sensibilidad máxima a
540nm, dentro del rango de espectro visible.
Figura 13. Sensibilidad relativa = f (longitud de onda), LDR y LDR con modulo
2.1.3.3 Sensor TSL257
El detector TSL257 (Figura 9) es similar al sensor TEFD4300 ya que es un fotodiodo, con la
característica especial que no necesita un circuito adicional para la medición del espectro de
luz visible, el circuito mediante el cual se obtiene la señal de salida se presenta en la figura
14, ya que el voltaje es proporcional a la intensidad luminosa. Además, es sensible a la luz
visible, infrarrojo y ultravioleta.
24
Este detector presenta un pico de sensibilidad a 675 nm, dentro del rango del espectro visible,
como se puede observar en la figura 14. Además, puede ser utilizado dentro del rango
espectral de (300 a 1100) nm.
Figura 14. Responsividad relativa = f (longitud de onda), sensor TSL257 – Circuito de
operación
2.1.3.4 Sensor TCS3200
Es un módulo compuesto de leds blancos para iluminar el objeto, posee 4 canales de
detección de color, entre ellos están el rojo, azul, verde y luz blanca (visible). La función del
sensor es convertir la intensidad de luz en frecuencia. Su configuración es diferente a los
sensores anteriores, ya que sus salidas son digitales y manejan estados lógicos 0 (Low) y 1
(High) para su funcionamiento, tal como se indica en la Figura 15.
Figura 15. Funcionamiento del sensor Tcs3200 (ElectronicosCaldas, 2019)
25
2.1.3.5 Características generales de los sensores o detectores de luz
En la Tabla 2, se indican las características que tienen en común los detectores mencionados
anteriormente, para poder establecer ventajas y desventajas, entre ellos de forma cualitativa.
Adicional se debe desarrollar de forma experimental cual sensor o detector ayudará al estudio
del espectrofotómetro.
Tabla 2. Características de los detectores (ElectronicosCaldas, 2019)
Características TEFD4300 LDR TSL257 TCS3200 Módulo
LDR
Componentes Fotodiodo Foto
resistor
Módulo
con
fotodiodo
Módulo
con sensor
de color
Módulo
con Foto
resistor
Longitud de
onda de
sensibilidad pico
950 nm 540 nm 675 nm 715 nm 540 nm
Sensibilidad Alta Alta Alta Alta Alta
Rango espectral
(nm)
350 – 1120 350 - 850 300 -1100 350 - 1100 350 – 850
Tiempo de
respuesta
Rápido 20 – 30 ms Rápido Rápido 20 – 30 ms
Medición Necesita circuito adicional
para funcionamiento
Voltaje Pulsos Voltaje
Rango máximo 60 V (inverso) 150 V 5.5 V 5.5 V 5.5 V
Por último, se elaboró una placa electrónica (Figura 16) que contenga todos los detectores
para realizar las pruebas necesarias y determinar cuál sensor es óptimo para este tipo de
aplicación.
26
Figura 16. Placa electrónica para colocación de sensores
2.2 Estructura del espectrofotómetro
La estructura externa del prototipo de espectrofotómetro está constituida por dos partes
estructura o base y tapa.
2.2.1 Estructura o base
La estructura del prototipo de espectrofotómetro que ya estaba construido FIQ 01-VIS, era
de una caja rectangular cuyas dimensiones son: 35 cm* 30cm* 15cm. En su interior contaba
con tres cámaras internas donde se encontraban ensamblados por separado la fuente de
iluminación, la fuente de poder y el porta muestra, este diseño presentaba el problema de la
filtración de luz externa que incidía sobre el detector, que pudo haber generado errores en los
análisis realizados.
Con la finalidad de solventar el problema encontrado en la anterior estructura y reducir el
tamaño del espectrofotómetro aprovechando los espacios, se realizó un nuevo diseño de la
estructura cuyas dimensiones son: 35cm* 16cm* 16*cm, el cual solo cuenta con dos cámaras
internas, donde en la primera cámara se encuentra el porta muestra y en la segunda cámara
se encuentra la fuente de poder y la fuente de iluminación aislada. Además, esta estructura
cuenta con unos cierres magnéticos, los cuales generan un cierre hermético que no permite
que entre luz al detector de afuera del equipo.
27
Figura 17. Estructura prototipo espectrofotómetro anterior y actual
2.2.2 Tapa metálica
La tapa metálica del prototipo de espectrofotómetro FIQ 01-VIS tenia las siguientes
dimensiones 35.5cm* 30.5cm, con un borde de 2cm, contaba con una tapa corrediza que
cubre el área del porta muestra, que tiene una abertura de 9cm*16cm.
El nuevo diseño del prototipo FIQ 02-VIS, cuenta con una tapa de las siguientes dimensiones
35.5cm * 16.5cm, con un borde de 2cm, esta tapa cuenta con una abertura con dimensiones
de 14cm * 14cm. Debajo de está abertura se encuentra el área del porta muestra, esta abertura
cuenta con una puerta abisagrada la cual forma un solo cuerpo con la tapa metálica.
Figura 18. Tapas metálicas prototipos FIQ 01-VIS y FIQ 02-VIS
28
2.3 Software utilizado
Para la determinación del detector óptimo para el prototipo de espectrofotómetro, se realizó
la programación de estos sensores inicialmente en el software Arduino. Donde se pudo
visualizar las señales emitidas por cada uno de los detectores y en base a estos datos se
determinó cual era el sensor óptimo.
Ya determinado cual sensor se iba a utilizar, se realizó la programación en el software
LabVIEW, el cual permitió crear una interfaz para poder manejar el equipo y visualizar los
resultados.
2.3.1 Plataforma Arduino
Arduino es una plataforma basada en una placa electrónica que contiene un microcontrolador
programable y una serie de pines hembra. Estos permiten la conexión entre diferentes
sensores o actuadores y el microcontrolador. Este microcontrolador presenta un entorno de
programación multiplataforma, haciendo posible la ejecución de sus programas en las
diferentes plataformas como Windows o Linux.
Arduino maneja su propio entorno de desarrollo integrado (IDE), que es un programa
informático el cual consta de herramientas de programación. El monitor serie es una de las
partes principales del IDE de arduino, ya que esta es la ventana donde se evidencia la
comunicación entre la placa arduino y el ordenador, ya sea mediante un cable serial o un
cable USB.
En la Figura 19 se presenta la interfaz del software arduino donde se realizó la programación
inicial.
29
Figura 19. Interfaz software Arduino
2.3.2 Plataforma LabVIEW
LabVIEW es un software destinado para la creación de aplicaciones donde se puedan
manipular y grabar los datos adquiridos para ser analizados. Este software cuenta con un
entorno de programación en el cual se desarrollan diferentes aplicaciones. La diferencia con
otros softwares de desarrollo de aplicaciones como Basic o C, es que LabVIEW emplea una
programación gráfica basados en diagramas de bloques y no basada en líneas de texto como
las otras plataformas. El lenguaje de programación basado en bloques resulta intuitivo en el
momento de construir aplicaciones.
30
Figura 20. Programación mediante bloques LabVIEW
LabVIEW permite crear interfaces gráficas mediante un panel frontal; estas interfaces son
desarrolladas con el fin de que en el momento en el que el programa se esté ejecutando se
pueda interactuar con el mismo, mediante entradas como botones o marcadores, e indicadores
como gráficas o tablas de datos.
Este software además de presentar las ventajas previamente mencionadas, tiene la opción de
compatibilidad con Arduino, esto quiere decir que es posible el control de la placa Arduino
mediante el software LabVIEW, usando la comunicación bidireccional por el puerto serial.
31
Figura 21. Interfaz gráfica de control LabVIEW.
2.4 Pruebas preliminares
Se ensamblaron todas las partes antes descritas junto con la lámpara de xenón, el servomotor
el cual fue configurado para que diera pasos de grado en grado, permitiendo obtener mayor
cantidad de datos para la elaboración del espectro de absorción y el porta muestra del anterior
prototipo, en la nueva estructura metálica, para realizar las mediciones con cada uno de los
detectores descritos anteriormente, con la finalidad de determinar cuál es el sensor óptimo.
Se ajustaron todas las partes internas del espectrofotómetro. Además, se colocaron dos
rendijas adicionales en la estructura del porta muestra, ubicadas en la cara frontal y cara
posterior de donde se montará la cuveta, con la finalidad de que solo pasen longitudes de
onda especificas (un solo color) a través de la muestra y posteriormente sobre el detector,
obteniendo así datos confiables.
En la figura 22, se muestra un esquema de cómo se definió el camino óptico para el prototipo
de espectrofotómetro.
32
Figura 22. Esquema del camino óptico prototipo FIQ 02-VIS
Cabe mencionar que el porta muestra cuenta con una rendija ubicada en la parte posterior de
donde se ubica la cuveta para garantizar que de la misma manera en que entra una sola
longitud de onda a la muestra, esta misma longitud de onda sea cuantificada por el detector.
Para la selección del detector, se realizaron las pruebas con el software arduino, el cual nos
permitió observar los datos emitidos por cada detector, estos datos sirvieron para determinar
cuál de los detectores funcionaba mejor con el nuevo prototipo de espectrofotómetro.
2.4.1 Pruebas con los sensores
Para realizar la prueba con cada uno de los sensores se usó la placa electrónica previamente
mencionada, donde se pudo instalar cada uno de los sensores para analizar los datos emitidos
por cada uno de estos, las pruebas se realizaron con agua como muestra, ya como es una
sustancia incolora, la absorción de la luz es mínima, próxima a cero.
Los detectores fueron evaluados en base a dos criterios:
Que presentaran una relación apreciable entre el potencial y la longitud de onda que
incide sobre el detector, es decir que presenten una variación en el voltaje a medida que
33
las longitudes de onda van incidiendo sobre el detector, esto basándose en los diagramas
de sensibilidad espectral de cada detector.
Que la sensibilidad de potencial, en un mismo punto donde se ubique la red de difracción
sea mínima.
Figura 23. Detectores instalados
2.4.1.1 Prueba sensor Tefd4300
El sensor tefd4300 presentó problemas al momento de encender el prototipo, debido a que
marcaba para cada color relacionado con la longitud de onda variaciones aproximadas de
0,80 voltios, tal como se indica en la Tabla 3. Además, se observa que para cada color del
haz de luz los voltajes son repetitivos, el cual no permite establecer una relación entre la
longitud de onda y el voltaje.
34
Tabla 3. Datos sensor Tefd4300
Rango de grados
Min. Max. Color Muestras
Tensión
(voltios)
105° 125° Rojo
105° 5,00
110° 4,98
115° 4,21
125° 4,36
126° 133° Anaranjado
126° 4,98
129° 4,97
131° 4,25
133° 4,36
134° 139° Amarillo
134° 5,00
136° 4,98
138° 4,21
139° 4,25
140° 149° verde
140° 4,97
143° 4,92
147° 4,21
149° 4,36
150° 154° Azul
150° 5,00
151° 4,82
153° 4,73
154° 4,21
155° 160° Violeta
155° 4,90
157° 5,00
159° 4,21
160° 4,26
2.4.1.2 Prueba sensor LDR sin módulo
Para realizar las respectivas mediciones con el sensor LDR sin módulo se necesita de un
circuito adicional, el cual puede estar conformado de diversos elementos electrónicos que
permitirán obtener datos más fiables.
Se realizaron las pruebas con sensores LDR de diferentes tamaños (20mm, 8mm y 4 mm).
Al ser instalados en el prototipo se observó que para el sensor LDR de 20 mm y 8mm por su
tamaño recibían más de un color del haz de luz, por lo que sus datos no resultan fiables, vistos
35
en la Tabla 4. Por último, los tres sensores LDR presentan en los datos variaciones de voltaje
en un mismo punto de más de 1 voltio por lo que no es recomendable su selección.
Tabla 4. Datos sensores LDR
LDR 20 mm LDR 8 mm LDR 4mm
Grados Tensión
(voltios) Grados
Tensión
(voltios) Grados
Tensión
(voltios)
149° 2,30 121° 0,86 149° 1,49
149° 2,29 121° 1,23 149° 1,11
149° 2,17 121° 1,15 149° 1,22
149° 2,32 121° 1,72 149° 1,26
149° 2,20 121° 1,48 149° 1,79
149° 2,19 121° 1,30 149° 1,15
149° 2,16 121° 1,37 149° 1,30
149° 1,55 121° 1,26 149° 1,26
149° 1,41 121° 1,09 149° 1,54
149° 2,05 121° 1,25 149° 1,32
149° 2,22 121° 1,09 149° 1,04
149° 2,13 121° 1,33 149° 1,18
149° 2,17 121° 1,25 149° 1,19
149° 2,59 121° 1,17 149° 0,62
149° 2,30 121° 1,19 149° 1,29
149° 2,21 121° 1,21 149° 1,44
149° 2,32 121° 1,56 149° 1,56
149° 2,38 121° 1,25 149° 1,49
149° 2,41 121° 1,20 149° 1,56
149° 2,22 121° 1,11 149° 1,57
149° 2,35 121° 0,44 149° 1,40
149° 1,72 121° 1,20 149° 1,43
149° 1,95 121° 1,26 149° 1,40
149° 2,19 121° 1,51 149° 1,54
Min. 1,41 Min. 0,44 Min. 0,62
Max. 2,59 Max. 1,72 Max. 1,79
Variación 1,18 Variación 1,28 Variación 1,17
2.4.1.3 Pruebas sensor Tsl257
Este sensor no necesita de ningún circuito adicional para ser utilizado, además presenta la
opción de emitir la información en salida de pulsos (frecuencia) y potencial (voltaje), visto
36
en la Tabla 5. Al ser programado para emitir datos de frecuencia, se observa que no existe
una variación representativa en ninguno de los puntos donde se ubicó la red de difracción.
En cambio, al ser programado para emitir datos de salida en potencial, se observa que en las
diferentes longitudes de onda existe una pequeña variación de voltaje, aunque entre 134° a
154° donde se encuentran los colores amarillo verde y azul, no es posible representar una
relación voltaje-longitud de onda, ya que el voltaje es similar en estos puntos.
Tabla 5. Datos sensor Tsl257
Rango de grados
Min. Max. Color Muestras
Tensión
(voltios)
Frecuencia
(Hz)
105° 125° Rojo
105° 0,26 2
110° 0,29 2
115° 0,31 2
125° 0,32 1
126° 133° Tomate
126° 0,35 2
129° 0,36 2
131° 0,39 1
133° 0,40 1
134° 139° Amarillo
134° 0,46 1
136° 0,51 1
138° 0,54 2
139° 0,56 2
140° 149° verde
140° 0,46 2
143° 0,49 2
147° 0,52 1
149° 0,54 1
150° 154° Azul
150° 0,45 1
151° 0,49 2
153° 0,51 2
154° 0,52 2
155° 160° Violeta
155° 0,38 2
157° 0,30 2
159° 0,23 1
160° 0,34 2
37
2.4.1.4 Pruebas sensor Tcs3200
Tabla 6. Datos sensor TCS3200
Matriz
Grados S0 S1 S2 Color
160° 150 187 49
Violeta S2 < S0 < S1
159° 173 159 45
Azul
S2 < S1 < S0
157° 172 141 45
S2 < S1 < S0
155° 190 132 45
S2 < S1 < S0
153° 188 117 49
S2 < S1 < S0
151° 180 97 61
S2 < S1 < S0
150° 150 70 77
S1 < S2 < S0
149° 141 65 80
Verde
S1 < S2 < S0
147° 131 62 81
S1 < S2 < S0
143° 68 58 112
S1 < S0 < S2
140° 192 223 200
Amarillo S0 < S2 < S1
136° 167 204 182
Anaranjado
S0 < S2 < S1
125° 150 175 155
S0 < S2 < S1
115° 149 168 155
S0 < S2 < S1
110° 149 181 153
S0 < S2 < S1
105° 148 173 152
S0 < S2 < S1
38
La salida de datos del sensor TCS3200 es en forma de una matriz lógica la cual se presenta
en tres columnas visto en la Tabla 6. Los datos de estas columnas están sujetos a cinco
condiciones diferentes que representan a cinco colores del espectro visible. Los problemas
que presenta el sensor son: no reconoce el resto de colores del espectro visible y no cuantifica
la intensidad de la luz, por lo que no se visualizan ninguna clase de picos en la gráfica
representativa del espectro de absorción.
2.4.1.5 Pruebas sensor LDR con módulo
Tabla 7. Datos sensor LDR con módulo
Rango de grados
Min. Max. Color Muestras
Voltaje
Min.
Voltaje
Max.
105° 125° Rojo
105° 3,88 3,95
110° 3,87 3,93
115° 3,80 3,86
125° 3,48 3,55
126° 133° Anaranjado
126° 3,39 3,47
129° 3,25 3,32
131° 3,17 3,20
133° 3,05 3,10
134° 139° Amarillo
134° 2,99 3,04
136° 2,93 2,97
138° 2,86 2,89
139° 2,84 2,88
140° 149° Verde
140° 2,84 2,87
143° 2,94 3,00
147° 3,58 3,62
149° 3,76 3,80
150° 154° Azul
150° 3,78 3,85
151° 3,83 3,87
153° 3,93 3,98
154° 3,96 4,02
155° 160° Violeta
155° 4,03 4,08
157° 4,11 4,17
159° 4,24 4,30
160° 4,25 4,32
39
Este sensor incorpora en su propia estructura un circuito integrado, como se puede observar
en la tabla 7 presenta una variación de voltaje amplia entre cada color del espectro visible,
además no presenta una sensibilidad mayor a 0,01 voltios.
2.4.2 Prueba con solución coloreada
Una vez ya seleccionado el mejor detector para el prototipo de espectrofotómetro basándose
en los datos descritos anteriormente, se procede a realizar una prueba con una solución
coloreada de rodamina B de concentración 0.175 mg/ml. Esta solución es analizada en el
espectrofotómetro (Agilent Cary 60 – UV vis) en modo de absorbancia, con un barrido de
300-700 nm, con la finalidad de realizar una comparación de los espectros de absorción
obtenidos del equipo de laboratorio y el prototipo de espectrofotómetro.
l= 554 nm
Figura 24. Espectro de absorción Rodamina B (tres concentraciones diferentes),
Espectrofotómetro Agilent Cary 60
Como se puede observar en la figura 24, el pico máximo de absorción corresponde a una
longitud de onda de 554 nm. Con valores de absorbancia de 0.63 a 0.42 dependiendo de la
concentración de Rodamina B.
En el prototipo de espectrofotómetro se obtendrá inicialmente la gráfica de potencial en
función del ángulo de giro de la red de difracción, el cual se lo relacionará con el espectro de
absorción, obtenido por el espectrofotómetro de laboratorio.
40
Como se puede observar en la figura 25, presenta visualmente similitud con la gráfica del
espectro de absorción obtenida con el espectrofotómetro Agilent Cary 60.
En la figura 25, se observan dos curvas, estas corresponden al voltaje mínimo y voltaje
máximo del sensor. Como se mencionó anteriormente, el sensor seleccionado presenta una
sensibilidad no mayor a 7 mV, por lo que para realizar esta gráfica se ha tomado el valor
máximo y mínimo de voltaje que se obtiene del sensor en un mismo punto.
100 110 120 130 140 150 160
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Potencial = f (Angulo de giro)
Pote
ncia
l (v
olt
ios)
Angulo de giro (grados)
Rodamina B voltaje max.
Rodamina B voltaje min.
Figura 25. Potencial = f (ángulo de giro), prototipo de espectrofotómetro.
2.4.3 Pruebas interfaz virtual
Como se mencionó previamente, la interfaz virtual la cual permitirá el manejo y visualización
de los datos del prototipo de espectrofotómetro se desarrolló en el software LabVIEW. Al
desarrollar y probar en este software el prototipo FIQ 02-VIS, se evidenció la presencia de
picos en el voltaje provenientes de la señal de salida del detector. Estos picos se provocan
por la generación de ruido que producen los elementos electrónicos y su circuitería. Para
poder reducir estos picos se desarrollan circuitos integrados los cuales actúan como filtros de
señal de salida, evitando saltos en el voltaje, otra manera de reducir estos picos son los filtros
41
virtuales que maneja cada software de programación, con la finalidad de que la señal de salida
de los sensores no se torne distorsionada.
Para este prototipo se probaron los diferentes filtros virtuales disponibles por el software
LabVIEW (lowpass, Highpass y Bandpass) con la finalidad de elegir el filtro que redujera en
mayor proporción los picos de voltaje, y no presentara una desviación considerable de los
datos. El filtro comúnmente utilizado es el filtro lowpass el cual suprime las frecuencias altas
de ruido.
100 110 120 130 140 150 160
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Potencial = f (Angulo de giro)
Pote
nci
al
(volt
ios)
Angulo de giro (grados)
Datos con filtro
Datos sin filtro
Figura 26. Potencial=f (ángulo de giro) uso de filtro virtual.
Como se puede observar en la figura 26, los picos se presentan de forma aleatoria, y el pico
de absorción, presenta una distorsión de 1 a 2 grados en lo referente al ángulo de giro.
42
3. CÁLCULOS Y RESULTADOS
3.1 Cálculos y diseño
Para determinar la fiabilidad del prototipo de espectrofotómetro se desarrollaron ciertos
cálculos, los cuales se detallan a continuación.
3.1.1 Ángulos de difracción
La relación entre los ángulos de giro de la red de difracción y la longitud de onda, se realizó
por observación experimental, mediante la relación que existe entre la longitud de onda y los
colores del espectro visible, además se utilizaron los datos del sensor TCS3200, antes
descritos para realizar correcciones a estos ángulos, ya que este sensor identifica cinco de los
siete colores presentes en el espectro visible. En la Tabla 8, se indican los ángulos
correspondientes a cada color además de su longitud de onda.
Tabla 8. Colores del espectro visible en función de los ángulos de difracción.
Ángulo de difracción (grados) Longitud de onda (nm)
Mínimo Máximo Color Mínimo Máximo
105° 125° Rojo 640 700
126° 133° Anaranjado 600 640
134° 139° Amarillo 560 600
140° 149° Verde 480 560
150° 154° Azul 450 480
155° 160° Violeta 400 450
Para realizar la transformación de los ángulos de difracción a nanómetros se relacionaron las
longitudes de onda correspondientes a cada color con los grados de los ángulos de difracción.
Cálculo modelo para color rojo
105° = 700 𝑛𝑚 ; 125° = 640 𝑛𝑚
43
𝜆 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 −𝑙𝑖𝑚.𝑚𝑎𝑥.𝜆−𝑙𝑖𝑚.𝑚𝑖𝑛.𝜆
𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑙𝑜𝑟= 𝜆 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 ( 6)
Longitud de onda para 106°
700 𝑛𝑚 −700 𝑛𝑚 − 640 𝑛𝑚
20= 697 𝑛𝑚
Tabla 9. Ángulos de giro y longitudes de onda
Color Grados °
Longitud de
onda (nm)
Rojo
105° 700,0
106° 697,0
107° 694,0
108° 691,0
109° 688,0
110° 685,0
111° 682,0
112° 679,0
113° 676,0
114° 673,0
115° 670,0
116° 667,0
117° 664,0
118° 661,0
119° 658,0
120° 655,0
121° 652,0
122° 649,0
123° 646,0
124° 643,0
125° 640,0
Anaranjado
126° 639,0
127° 633,4
128° 627,9
129° 622,3
130° 616,7
131° 611,2
132° 605,6
133° 600,0
44
Tabla 9. (Continuación)
Amarillo 134° 599,0
135° 591,2
136° 583,4
137° 575,6
138° 567,8
139° 560,0
Verde 140° 559,0
141° 550,2
142° 541,4
143° 532,7
144° 523,9
145° 515,1
146° 506,3
147° 497,5
148° 488,8
149° 480,0
Azul 150° 479,0
151° 471,8
152° 464,5
153° 457,3
154° 450,0
Violeta 155° 449,0
156° 439,2
157° 429,4
158° 419,6
159° 409,8
160° 400,0
En la tabla 9, se pueden observar las longitudes de onda correspondientes a cada ángulo de
giro de la red de difracción. Para establecer una ecuación que relacione cada uno de estos
grados con la longitud de onda correspondiente se presenta la siguiente gráfica.
45
100 110 120 130 140 150 160
400
450
500
550
600
650
700
Longitud de onda = f (Angulo de giro)
Lon
git
ud
de o
nd
a (
nm
)
Angulo de giro (Grados)
Figura 27. Curva de calibración de la red de difracción
La ecuación que relaciona la longitud de onda con el ángulo de giro de la red de difracción
es la siguiente.
𝜆 = −0.0709𝜃2 + 13.3570𝜃 + 95.3550 ( 7)
Esta ecuación presenta un coeficiente de determinación de 0,9825.
3.2 Mejoras realizadas al prototipo de espectrofotómetro
En la tabla 10, se presentan las mejoras realizadas al prototipo de espectrofotómetro tanto a
sus elementos internos, como a su estructura externa.
46
Tabla 10. Mejoras realizadas al prototipo de espectrofotómetro
Elemento Prototipo FIQ
01-VIS
Prototipo FIQ 02
-VIS
Observación
Tamaño de
hendidura
rendija
0,8 mm 1,2 mm
Al cambiar el tamaño de la
hendidura de la rendija, mejoró la
formación del espectro visible
proyectado, ayudando a
determinar de manera más
precisa los ángulos de giro de la
red de difracción
correspondientes a cada color del
espectro visible.
Tipo de red
de difracción
13500
líneas/pulgada
(531 líneas/mm)
de doble eje
500 líneas/mm de
eje lineal
Con la red de difracción del
primer prototipo se proyectaban
varios espectros poco definidos y
estrechos dificultando la
apreciación de los diferentes
colores del espectro. Al cambiar
la red de difracción solo se
proyectan dos espectros
definidos y de mayor tamaño.
Tarjeta
programable
Arduino UNO Arduino Nano Las tarjeta programables tienen
casi las mismas características
lógicas, su diferencia radica en el
tamaño como se mencionó
previamente y el puerto de
comunicación de datos siendo la
primera un puerto USB tipo B y
el otro un puerto mini USB.
47
Tabla 10. (Continuación)
Sistema de
refrigeración
Ventilador Ventilador y
disipadores de
calor
Una fuente de iluminación como lo es
la lámpara de xenón de 35 W, irradia
una gran cantidad de energía en forma
de calor, por lo que se determinó
conveniente la utilización de
disipadores de calor, los cuales
permitan que el microcontrolador
permanezca a temperatura ambiente,
evitando daños en el mismo.
Servomotor Resolución de
ángulo de 10°
Resolución de
ángulo de 1°
Al cambiar el servomotor por uno que
permitiera dar pasos continuos de 1°,
se obtiene una mayor resolución y por
ende mayor cantidad de datos para la
elaboración del espectro de absorción.
Tamaño de
estructura
base
35 cm * 30 cm *
15 cm
35 cm * 16 cm
* 16 cm
Se redujo el tamaño del prototipo
espectrofotómetro Mediante una
mejor configuración espacial de los
elementos internos.
Tamaño de
estructura
tapa
metálica
35,5 cm * 30,5
cm * 2 cm
35,5 cm * 30,5
cm * 2 cm
Se modificó el tamaño de la tapa para
la nueva estructura base. Además se le
ensamblaron cierres magnéticos y un
empaque de corcho con la finalidad
de evitar que la luz externa se filtre y
afecte los valores emitidos por el
detector.
48
Tabla 10. (Continuación)
Software de
manejo
LabVIEW y
Excel
LabVIEW Mediante la programación en el software
LabVIEW, se logró que no sea necesario
exportar los datos a Excel para la
elaboración de las gráficas, ya que estas se
graficarán en el mismo software a medida
que se va desarrollando el ensayo.
Detector Fotodiodo de
silicio
Fotorresistencia
con módulo
(LDR)
El fotodiodo de silicio basa su
funcionamiento en la incidencia de la
intensidad de luz, con dependencia del
color que incida, presentando un pico de
sensibilidad en 940 nm, impidiendo
desarrollar una relación funcional para el
espectro visible. En cambio, la
fotorresistencia basa su funcionamiento
en la incidencia de intensidad de luz, pero
además presenta variaciones dependiendo
del color incidente como se observa en la
figura 13 presenta un pico de sensibilidad
a 540 nm.
3.3 Puesta en marcha del equipo
Después de haber realizado las mejoras antes mencionadas al prototipo ya construido, además
de haber ensamblado el sensor ya seleccionado, se ajustan todas sus partes en el interior del
prototipo para iniciar con su funcionamiento.
Se prepararon soluciones coloreadas con diferentes espectros de absorción ya obtenidos en
el espectrofotómetro Agilent Cary 60, con la finalidad de hacer una comparación con los
espectros que se obtendrán del prototipo de espectrofotómetro.
49
Las curvas que se obtienen por parte del espectrofotómetro Agilent Cary 60, son de potencial
emitido por el detector en función de la longitud de onda. Este potencial es transformado en
el software propio del equipo en datos de absorbancia o transmitancia. Las curvas que se
obtienen del prototipo de espectrofotómetro son de diferencia de potencial en función de la
longitud de onda, la diferencia de potencial es evaluada entre la curva obtenida por el blanco
y la curva obtenida por la muestra a analizar.
Las soluciones de prueba son las siguientes:
Solución A: Rodamina B en agua de concentración 0,175 mg/ml
Solución B: Rodamina 6G en agua de concentración 0,160 mg/ml
Solución C: Cúrcuma en etanol de concentración 0,200 mg/ml
A continuación, se presentarán los datos y gráficas que se obtienen de cada una de estas
soluciones. Además, se analizará la diferencia de los datos que se obtienen directamente del
sensor y los que pasan a través del filtro virtual del software LabVIEW.
Para la solución A se mostrarán las gráficas del blanco, en este caso agua, de la muestra y su
diferencia. Este es el modelo de cómo se realiza la medición para las demás soluciones.
Cabe mencionar que el sensor seleccionado es sensible al rango del espectro visible, lo que
quiere decir que presenta una variación de voltaje por cada color que detecta, lo cual se verá
evidenciado en las siguientes gráficas.
3.3.1 Solución A: Rodamina B
Tabla 11. Datos obtenidos - Solución A
Rodamina B Espectro de
absorción
Grados ° Longitud
de onda
Blanco
sin
filtro
Blanco
con
filtro
Solución
sin filtro
Solución
con filtro
Sin
filtro
Con
filtro
105° 720,00 4,12 4,62 4,24 4,19 0,12 0,43
106° 714,56 4,17 4,55 4,22 4,27 0,05 0,28
107° 712,82 4,13 4,39 4,29 4,27 0,16 0,12
108° 710,93 4,21 4,23 4,15 4,24 0,06 0,01
50
Tabla 11. (Continuación)
109° 708,91 4,17 4,13 4,23 4,21 0,06 0,09
110° 706,74 4,19 4,08 4,19 4,20 0,00 0,12
111° 704,42 4,15 4,08 4,23 4,20 0,08 0,12
112° 701,97 4,19 4,11 4,00 4,19 0,19 0,08
113° 699,37 4,14 4,14 4,18 4,14 0,04 0,00
114° 696,64 4,16 4,17 4,15 4,10 0,01 0,07
115° 693,76 4,15 4,18 4,24 4,13 0,09 0,05
116° 690,74 4,13 4,18 3,99 4,17 0,14 0,01
117° 687,57 4,09 4,17 4,22 4,15 0,13 0,01
118° 684,27 4,04 4,15 4,40 4,15 0,36 0,00
119° 680,82 4.00 4,12 4,21 4,23 0,21 0,11
120° 677,24 3,97 4,09 4,19 4,30 0,22 0,21
121° 673,51 3,93 4,05 4,17 4,26 0,24 0,21
122° 669,63 3,86 4,01 4,40 4,20 0,54 0,19
123° 665,62 3,84 3,97 4,06 4,22 0,22 0,25
124° 661,46 3,83 3,93 3,86 4,19 0,03 0,27
125° 657,17 3,75 3,88 3,95 4,04 0,20 0,16
126° 652,73 3,67 3,84 4,40 3,94 0,73 0,10
127° 648,15 3,67 3,80 3,91 4,04 0,24 0,24
128° 643,43 3,58 3,75 3,89 4,13 0,31 0,37
129° 638,56 3,51 3,70 3,93 4,03 0,42 0,32
130° 633,56 3,51 3,65 4,40 3,94 0,89 0,29
131° 628,41 3,46 3,60 3,92 4,04 0,46 0,45
132° 623,12 3,36 3,54 4,40 4,18 1,04 0,63
133° 617,69 3,31 3,49 3,94 4,21 0,63 0,72
134° 612,11 3,28 3,44 4,07 4,15 0,79 0,71
135° 606,40 3,21 3,38 4,06 4,06 0,85 0,67
136° 600,54 3,19 3,33 4,13 4,03 0,94 0,70
137° 594,54 3,13 3,28 4,16 4,08 1,03 0,80
138° 588,40 3,07 3,23 4,18 4,15 1,11 0,92
139° 582,12 2,98 3,18 4,21 4,19 1,23 1,01
140° 575,70 2,94 3,12 4,27 4,21 1,33 1,08
141° 569,13 2,90 3,07 4,40 4,25 1,50 1,18
142° 562,42 3,41 3,02 4,40 4,32 0,99 1,30
143° 555,57 2,88 3,00 4,40 4,40 1,52 1,39
144° 548,58 2,98 3,01 4,40 4,42 1,42 1,41
51
Tabla 11. (Continuación)
145° 541,45 3,05 3,03 4,40 4,41 1,35 1,38
146° 534,17 3,27 3,04 4,38 4,39 1,11 1,36
147° 526,76 3,38 3,06 4,38 4,39 1,00 1,33
148° 519,20 3,59 3,12 4,40 4,38 0,81 1,27
149° 511,50 3,59 3,21 4,40 4,39 0,81 1,17
150° 503,66 3,64 3,34 4,40 4,40 0,76 1,06
151° 495,67 3,67 3,46 4,40 4,40 0,73 0,94
152° 487,55 3,70 3,57 4,40 4,40 0,70 0,83
153° 479,28 3,82 3,65 4,40 4,40 0,58 0,75
154° 470,87 3,84 3,71 4,40 4,40 0,56 0,69
155° 462,32 3,94 3,76 4,39 4,40 0,45 0,64
156° 453,62 3,96 3,80 4,40 4,40 0,44 0,59
157° 444,79 3,95 3,85 4,40 4,40 0,45 0,54
158° 435,81 3,99 3,90 4,37 4,39 0,38 0,50
159° 426,70 4,05 3,94 4,37 4,39 0,32 0,45
160° 417,44 4,08 3,97 4,40 4,38 0,32 0,40
400 450 500 550 600 650 700 750
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
Potencial = f (Longitud de onda)
Pote
ncia
l (v
olt
ios)
Longitud de onda (nm)
Blanco sin filtro
Blanco con filtro
Figura 28. Potencial = f (Longitud de onda), Blanco Agua
52
En la figura 28 se puede observar la curva de potencial en función de la longitud de onda, del
blanco en este caso agua, como se puede detallar presenta un pico inferior de potencial
cercano a 540 nm. Como se observa en la figura 13, este sensor presenta el mayor valor de
sensibilidad a 540 nm, por lo que se evidencia el buen funcionamiento del detector y la
validez de la calibración de la red de difracción.
400 450 500 550 600 650 700 750
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Potencial = f (Longitud de onda)
Pote
ncia
l (V
olt
ios)
Longitud de onda (nm)
Solucion sin filtro
Solucion con filtro
Figura 29. Potencial = f (longitud de onda), Solución de Rodamina B
En la figura 29, se observa la gráfica del potencial en función de la longitud de onda, para la
solución coloreada de Rodamina B, esta solución presenta una gráfica diferente a la del
blanco esto debido a su coloración, ya que la cantidad de luz que incide sobre el detector es
diferente en los dos casos.
53
400 450 500 550 600 650 700 750
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Diferencia de potencial = f (Longitud de onda)
Dif
eren
cia d
e p
ote
nci
al
(volt
ios)
Longitud de onda (nm)
Espectro de absorcion sin filtro
Espectro de absorcion con filtro
Figura 30. Espectro de absorción, Rodamina B
En la figura 30, se puede observar el espectro de absorción que se obtiene a partir del
prototipo de espectrofotómetro FIQ 01-VIS. Este espectro se obtiene mediante la diferencia
entre el potencial del blanco y el potencial de la solución coloreada, en los mismos ángulos
de giro de la red de difracción ya relacionados con la longitud de onda.
Se observa que el pico de absorción se encuentra en una longitud de onda de 548,58 nm, con
una diferencia de potencial de 1,41 voltios, en la tabla 11, se puedo apreciar que estos datos
corresponden a un ángulo de giro de la red de difracción de 144°.
54
Figura 31. Gráficas generadas mediante el software LabVIEW
3.3.2 Solución B: Rodamina 6G
Los datos referentes a esta solución se encuentran en el anexo A. Como se observa en la
figura 32, el pico de absorción de esta solución se encuentra en una longitud de onda de
526,76 nm, este valor obtenido mediante la ecuación que presenta la relación entre la longitud
de onda y el ángulo de giro de la red de difracción. Que corresponden a un ángulo de giro de
la red de difracción de 147°; en este punto se presenta una diferencia de potencial de 1,44
voltios.
55
400 450 500 550 600 650 700 750
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Diferencia de potencial = f (Longitud de onda)
Dif
eren
cia d
e p
ote
nci
al
(volt
ios)
Longitud de onda (nm)
Espectro de absorcion
Figura 32. Espectro de absorción, Rodamina 6G
3.3.3 Solución C: Cúrcuma
400 450 500 550 600 650 700 750
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Diferencia de potencial = f (Longitud de onda)
Dif
eren
cia d
e p
ote
nci
al
Longitud de onda (nm)
Espectro de absorcion Curcuma
Figura 33. Espectro de absorción, Cúrcuma
Los datos referentes al espectro de absorción de la solución de cúrcuma visto en la figura 33,
se presentan en el anexo B, el pico de absorción de la solución de cúrcuma se encuentra a
56
una longitud de onda de 453.62 nm, correspondientes a un ángulo de giro de la red de
difracción de 156°. Estos valores corresponden a una diferencia de potencial de 0,34 voltios.
3.4 Resultados
Los datos referentes a cada espectro de absorción obtenidos del prototipo de
espectrofotómetro, se presentan en la siguiente tabla.
Tabla 12. Resultados de los picos de absorción
Solución Grados ° Longitud de
onda (nm)
FIQ 01-VIS
Diferencia
de potencial
(Voltios)
Longitud de
onda (nm)
Agilent
Cary 60
% e
A: Rodamina B 144 548,58 1,41 554 0,98
B: Rodamina 6G 147 526,76 1,44 526 0,14
C: Cúrcuma 156 453,62 0,34 424 6,53
3.5 Costo de los detectores de prueba
Tabla 13. Costo de los detectores
Detector Precio $
TEFD 4300 USD$ 0,84
LDR 20 mm UDS$ 1,00
LDR 8 mm USD$ 0,53
LDR 4mm USD$ 0,37
LDR con módulo USD$ 1,72
TSL 257 USD$ 3,10
TCS 3200 USD$ 9,53
57
4. DISCUSIÓN
El rediseño del prototipo de espectrofotómetro tanto a su estructura como a sus elementos
internos, se produjo con la finalidad de reducir los errores causados por la filtración de luz
externa incidente sobre el detector, mejorando la resolución espectral del equipo se pudo
generar un espectro de absorción detallado y reducir el tamaño del equipo. Este proceso de
rediseño se realizó de manera detallada con la finalidad de que los resultados sean
reproducibles. A lo largo de este proceso se realizaron pruebas experimentales con la
finalidad de ir corrigiendo en lo posible los errores.
Antes de realizar la selección del detector se cambiaron ciertos componentes internos del
prototipo de espectrofotómetro. Uno de estos es el sistema monocromador el cual se compone
por la rendija la cual permite el paso de la luz en la dirección deseada, esta proveniente de la
fuente de iluminación y la red de difracción la cual disgrega la cantidad de luz dirigida en
diferentes longitudes de onda. La selección tanto de la rendija como de la red de difracción
se la realizó en base a un criterio de observación, el cual se basa en obtener un espectro visible
definido y de un tamaño apreciable, que sirviera para poder establecer una relación entre el
ángulo de giro de la red de difracción y los colores que hacen parte del espectro visible. Como
la selección de este sistema monocromador se basa en un análisis cualitativo, está sujeto a
errores, los cuales están fundamentados en la perspectiva del observador.
Una vez ya seleccionada la red de difracción, esta fue montada sobre el servomotor, el cual
permite dar el giro para que las diferentes longitudes de onda sean receptadas por la muestra
y posteriormente por el detector. El rango de grados para que el servomotor girara (105°-
160°) fue determinado en base a observaciones experimentales, en base al criterio de que
fuera de este rango no se observó ningún color perteneciente al espectro visible. La
observación experimental bajo la que se determinó este rango está sujeta a errores de
perspectiva.
Para obtener la relación entre el ángulo de giro de la red de difracción y el valor de la longitud
de onda (calibración de la red), se utilizaron los grados de giro y la longitud de onda
58
correspondiente a cada color como se muestra en la tabla 9. Estos grados se determinaron
mediante observación y se corrigieron con el uso del sensor TCS3200 mencionado
anteriormente. En la investigación desarrollada se observó que los valores de las longitudes
de onda correspondientes a cada color varían según el autor, lo que puede producir errores
de medición del prototipo de espectrofotómetro en relación con otros equipos.
Ya realizada la calibración del equipo se desarrollaron las pruebas con cada uno de los
detectores con la finalidad de seleccionar el mejor. Los datos emitidos por cada detector se
encuentran en las pruebas con los sensores en el apartado 2.4.1; a continuación, se detallan
los problemas que presentaron cada uno de los detectores y los errores que pudieron haber
proporcionado en la medición final del prototipo por lo que fueron descartados.
Sensor TEFD 4300: este sensor de tipo fotodiodo, presenta voltajes similares dentro del
mismo rango para todos los colores, lo que no permite establecer una relación voltaje –
longitud de inda, además de presentar variaciones en un mismo punto de
aproximadamente 0,80 voltios, como se puede observar en los espectros obtenidos de las
diferentes soluciones, las diferencias de potencial entre el blanco y la solución donde se
producen los picos de absorción van desde los 0,60 voltios hasta 1,45 voltios, por lo que
una variación en un mismo punto de 0,80 voltios, habría generado falsos picos de
absorción aleatorios.
Sensores LDR sin módulo: este sensor es de tipo fotorresistencia. Al utilizar sensores de
gran tamaño, se amplía la posibilidad de que sobre estos incida luz parasita y afecte los
resultados, además al igual que el sensor mencionado anteriormente estos presentan una
variación en un mismo punto de más de 1,00 voltio, lo que podría generar los ya
mencionados falsos picos de absorción.
Sensor TSL257: este sensor de tipo fotodiodo, permite establecer la relación voltaje –
longitud de onda y además no presenta variaciones significativas en un mismo punto,
pero se tiene el problema que en los colores de menor intensidad como lo son el verde, el
amarillo y el azul, las señales emitidas por el detector no presentan diferencia, lo que
provocaría que sustancias como la rodamina B y rodamina 6G, donde su pico de
59
absorción está dentro de este rango, no pudieran ser medidas, por la presencia de varios
picos en el espectro de absorción dentro de este rango.
Sensor TCS3200: este sensor de color, detecta cinco de los siete colores del espectro
visible, por lo que se utilizó para corregir los ángulos correspondientes a cada color, el
inconveniente presentado por este sensor es que los datos de salida son representados en
una matriz lógica sujeta a condiciones y no en potencial, lo que no permite realizar una
diferencia entre el blanco y la solución, y consecuentemente no se puede generar ningún
espectro de absorción.
Sensor LDR con módulo, este sensor presenta las mejores características entre los
sensores evaluados, ya que permite determinar la relación voltaje – color, para todos los
colores del espectro visible, además de no presentar variaciones de potencial
considerables sobre un mismo punto, el problema que se encontró después, en las pruebas
con el software LabVIEW, fue la sensibilidad ante el ruido, ya que al realizar la gráfica
con los datos provenientes del software se evidenciaron saltos de voltaje como se puede
ver en la figura 20, estos saltos se atenuaron con el uso de un filtro virtual, con el detalle
que al ser atenuados presentaron una variación en la ubicación del pico de absorción entre
uno y dos grados, que dependiendo de la zona del espectro en que absorba la muestra
representaría un error entre tres a diez nanómetros.
La mayoría de espectrofotómetros comerciales utilizan tubos fotomultiplicadores como
detectores. Estos intensifican la señal receptada y presentan gran resistencia al ruido, su costo
estimado esta alrededor de los 600 dólares. Su precio varía por la precisión de los valores
emitidos y la eliminación del ruido. Cabe mencionar que los precios de los detectores
utilizados están presentados en la Tabla 13, donde se puede observar que sus precios están
entre 0,50 y 10 dólares. Es por esto que no pueden amplificar la intensidad de las señales
recibidas sin contar con un circuito amplificador adicional, presentando errores en los valores
emitidos por el detector.
El servomotor utilizado permite dar pasos continuos de grado en grado, como se puede
observar en la tabla 11. Cada uno de estos grados corresponde a una longitud de onda
específica. La diferencia entre un punto y el que le sigue, varía entre tres a seis nanómetros;
60
esto representa un error en el momento de generar los espectros de absorción, ya que los
picos de absorción que no coincidan con la ubicación de la red no podrán ser determinados.
Se puede considerar como un error de resolución del servomotor.
61
5. CONCLUSIONES
Se realizó el estudio comparativo de cinco diferentes detectores con la finalidad de
determinar cuál de estos era el mejor para el prototipo de espectrofotómetro, FIQ 02-VIS.
Al finalizar el estudio se concluyó que de los sensores analizados el que presentó mejores
características, es el sensor LDR con módulo, ya que este sensor permitió establecer una
relación entre el voltaje de salida y los colores correspondientes al espectro visible,
además de no presentar una variación de potencial mayor a 0,01 voltios en un mismo
punto.
Los espectros de absorción obtenidos a partir del prototipo de espectrofotómetro FIQ 02-
VIS, de las tres diferentes sustancias analizadas, presentaron los picos de absorción
representativos de estas sustancias, por lo que se puede concluir que las mejoras
realizadas a este prototipo estuvieron bien evaluadas y desarrolladas a pesar de basar la
mayoría de estas mejoras en base a la observación bajo la metodología de prueba y error.
Se realizó el rediseño de la estructura externa y de los elementos internos del prototipo
de espectrofotómetro con la finalidad de reducir la incidencia de luz externa sobre el
detector, dentro del rediseño se redujo el tamaño del prototipo, además se instalaron
cierres magnéticos y un filtro de corcho, estas mejoras aseguran que los datos emitidos
por el detector sean confiables ya que sobre este incide solo la longitud de onda deseada,
se puede asegurar que estas mejoras resultaron factibles, en base a los espectros de
absorción obtenidos mediante el prototipo de espectrofotómetro.
Se desarrollaron mejoras a la programación en el software LabVIEW, con el cual se
puede manejar el equipo, logrando una interfaz donde se pueden visualizar los datos
obtenidos del blanco, de la solución y del espectro de absorción con sus respectivas
gráficas, las cuales no se mostraban en el anterior prototipo.
62
6. RECOMENDACIONES
Se recomienda la instalación de un servomotor o un equipo donde sea montada la red de
difracción que permita realizar giros continuos de menos de un grado (mejor resolución),
con la finalidad de tener mayores datos de ángulos y que en ciertas zonas del espectro de
absorción no se den saltos de 3 a 10 nm y así tener una relación grados – longitud de onda
más precisa.
Realizar la calibración de la red de difracción utilizando las curvas de sensibilidad del
detector, o soluciones estándar medidas en un espectrofotómetro comercial.
Con la finalidad de evitar el ruido mostrado por detector en la interfaz virtual, desarrollar
un filtro electrónico, el cual disminuya el ruido sin necesidad de presentar cambios en los
datos de salida emitidos por el detector.
Desarrollar un sistema de refrigeración interno para el equipo con la finalidad de poder
utilizarlo por un tiempo prolongado, debido a que la fuente de iluminación irradia gran
cantidad de energía en forma de calor.
Desarrollar un sistema de doble haz con la finalidad de compensar los errores.
63
CITAS BIBLIOGRÁFICAS
Casado, E. (2012). Operaciones basicas de laboratorio. Madrid: paraninfo.
MONSERRAT, P. (2018). Implementacion del metodo analitico por espectrofotometria UV-
visible para la determinacion de amoniaco en aire en el equipo de proteccion
ambiental de la facultad de quimica. Mexico.
Skoog, D., Holler, F., & Crouch, S. (2008). Principios de análisis instrumental (Sexta ed.).
Mexico: S.A. EDICIONES PARANINFO.
MOLINA, D. (2017). Diseño y construcción de un prototipo de un Espectrofotómetro.
Ecuador.
López, M. (2019). Estructura de macromoleculas. España.
Atkins, P., & DePaula, J. (2006). Quimica Fisica. Buenos Aires: EDITORIAL MEDICA
PANAMERICANA S.A.
GIDOLQUIM, F. (2014). Tecnicas y operaciones avanzadas en el laboratorio químico
(TALQ). Obtenido de http://www.ub.edu/talq/es/node/259
Gallego, A., Garcinuño, R., & Morcillo, M. (2013). Experimentación en química analítica.
Madrid: Uned.
Fernandez, G. (2014). Determinación estructural de compuestos orgánicos: VIS-Uv, IR,
RMN, Masas. Oviedo: Academia minas Centro universitario.
Kotz, J., Treichel, P., & Towsend, J. (2008). Chemistry and Chemical Reactivity. Belmont:
THOMSON BROOKS/COLE.
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular. (2014). Espectrofometría: Espectros de
absorción y cuantificación colorimétrica de biomoléculas . Obtenido de www.uco.es:
https://www.uco.es/dptos/bioquimica-biol-
mol/pdfs/08_ESPECTROFOTOMETRIA.pdf
64
Serrano, J. (8 de Diciembre de 2007). EL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
ABSORCION VISIBLE - ULTRAVIOLETA. Obtenido de INSTRUMENTACION Y
METODOS DE ANALISIS QUIMICO :
http://www.upct.es/~minaeees/espectro_electromagnetico.pdf
Villegas, W., Acereto, P., & Vargas, M. (2006). ANALISIS ULTRAVIOLETA-VISIBLE La
teoria y la practica en el ejercicio profesional. Mexico: UADY.
Swadesh, J. (2000). HPLC Practical and industrial Applications second edition. Estados
Unidos: CRC Press LLC.
Silva, C., & Garcia, J. (2006). Técnico Especialista en Laboratorio de Atención Primaria
Del Instituto Catalán de la Salud. España: MAD.
Ibarra, R., & Serrano, M. (1999). Principios de teoría de las comunicaciones. Mexico:
LIMUSA, S.A.
Cabrerizo, M., Anton, J., & Barrio, J. (2008). Física y química . Madrid: Editex.
Electronicos Caldas. (2019). Electronicos Caldas. Obtenido de
https://www.electronicoscaldas.com/
Harris, D. (2007). Analisis quimico cuantitativo. Barcelona: Reverte.
Ibarra, R., & Serrano, M. (1999). Principios de teoría de las comunicaciones. Mexico:
LIMUSA, S.A.
Paredes, A. (2013). Ax Desarrollos. Obtenido de
http://axdesarrollos.blogspot.com/2013/08/sensor-de-luminosidad-con-
fotodiodo.html
Tr3sdland. (2014). Componentes – El sensor LDR. Obtenido de
https://www.tr3sdland.com/2011/11/componentes-el-sensor-ldr/
65
BIBLIOGRAFÍA
Atkins, P., & DePaula, J. (2006). Quimica Fisica. Buenos Aires: EDITORIAL MEDICA
PANAMERICANA S.A.
Cabrerizo, M., Anton, J., & Barrio, J. (2008). Física y química. Madrid: Editex.
Casado, E. (2012). Operaciones basicas de laboratorio. Madrid: paraninfo.
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular. (2014). Espectrofometría: Espectros de
absorción y cuantificación colorimétrica de biomoléculas . Obtenido de www.uco.es:
https://www.uco.es/dptos/bioquimica-biol-
mol/pdfs/08_ESPECTROFOTOMETRIA.pdf
Domínguez, M. (2012). Diseño de un espectrofotómetro de dos mediciones simultaneas para
recubrimientos inhomogéneos. México
ElectronicosCaldas. (2019). Electronicos Caldas. Obtenido de
https://www.electronicoscaldas.com/
Fernandez, G. (2014). Determinación Estructural de Compuestos Orgánicos: Vis-Uv, IR,
RMN, Masas. Oviedo: Academia minas.
Gallego, A., Garcinuño, R., & Morcillo, M. (2013). Experimentación en química analítica.
Madrid: Uned.
GIDOLQUIM, F. (2014). Tecnicas y operaciones avanzadas en el laboratorio químico
(TALQ). Obtenido de http://www.ub.edu/talq/es/node/259
Harris, D. (2007). Analisis quimico cuantitativo. Barcelona: Reverte.
Ibarra, R., & Serrano, M. (1999). Principios de teoría de las comunicaciones. Mexico:
LIMUSA, S.A.
Kotz, J., Treichel, P., & Towsend, J. (2008). Chemistry and Chemical Reactivity. Belmont:
THOMSON BROOKS/COLE.
66
López, M. (2019). Estructura de macromoleculas. España.
MOLINA, D. (2017). Diseño y construcción de un prototipo de un Espectrofotómetro.
Ecuador.
MONSERRAT, P. (2018). Implementacion del metodo analitico por espectrofotometria UV-
visible para la determinacion de amoniaco en aire en el equipo de proteccion
ambiental de la facultad de quimica. Mexico.
Orrego, C. (1990). Construcción de un espectrofotómetro. Manizales.
Paredes, A. (2013). Ax Desarrollos. Obtenido de
http://axdesarrollos.blogspot.com/2013/08/sensor-de-luminosidad-con-
fotodiodo.html
Sanz, A. (2014). La industria de los colorantes y pigmentos. Obtenido de Química Orgánica
Industrial: www.eii.uva.es/organica/qoi/tema-11.php
Serrano, J. (8 de Diciembre de 2007). EL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
ABSORCION VISIBLE - ULTRAVIOLETA. Obtenido de INSTRUMENTACION Y
METODOS DE ANALISIS QUIMICO :
http://www.upct.es/~minaeees/espectro_electromagnetico.pdf
Silva, C., & Garcia, J. (2006). Técnico Especialista en Laboratorio de Atención Primaria
Del Instituto Catalán de la Salud. España: MAD.
Skoog, D., Holler, F., & Crouch, S. (2008). Principios de análisis instrumental (Sexta ed.).
Mexico: S.A. EDICIONES PARANINFO.
Stermitz, W. (1988). Química Orgánica. Barcelona: Reverte.
Swadesh, J. (2000). HPLC Practical and industrial Applications second edition. Estados
Unidos: CRC Press LLC.
Tr3sdland. (2014). Componentes – El sensor LDR. Obtenido de
https://www.tr3sdland.com/2011/11/componentes-el-sensor-ldr/
67
Villegas, W., Acereto, P., & Vargas, M. (2006). ANALISIS ULTRAVIOLETA-VISIBLE La
teoria y la práctica en el ejercicio profesional. Mexico: UADY.
68
ANEXOS
69
Anexo A. Tabla de datos espectro de absorción Rodamina 6G.
Rodamina 6G Espectro de
absorción
Grados ° Longitud
de onda
Blanco
sin filtro
Blanco
con filtro
Solución
sin filtro
Solución
con filtro Sin filtro Con filtro
105 716,17 4,06 4,45 4,17 4,19 0,11 0,27
106 714,56 4,04 4,40 4,24 4,27 0,2 0,13
107 712,82 4,08 4,27 4,15 4,25 0,07 0,02
108 710,93 4,07 4,13 4,21 4,19 0,14 0,06
109 708,91 4,10 4,04 4,14 4,17 0,04 0,13
110 706,74 4,01 3,99 4,24 4,17 0,23 0,18
111 704,42 4,01 3,99 4,12 4,18 0,11 0,19
112 701,97 3,99 4,00 3,92 4,16 0,07 0,15
113 699,37 3,99 4,01 4,22 4,08 0,23 0,06
114 696,64 3,96 4,02 4,00 4,04 0,04 0,03
115 693,76 3,95 4,01 4,20 4,08 0,25 0,07
116 690,74 3,92 4,00 4,14 4,13 0,22 0,13
117 687,57 4,00 3,98 4,12 4,15 0,12 0,18
118 684,27 3,99 3,96 4,40 4,18 0,41 0,21
119 680,82 3,96 3,96 4,14 4,23 0,18 0,27
120 677,24 3,95 3,96 3,84 4,22 0,11 0,26
121 673,51 3,94 3,96 4,03 4,08 0,09 0,12
122 669,63 3,84 3,96 4,00 3,94 0,16 0,02
123 665,62 3,82 3,95 3,99 3,94 0,17 0,01
124 661,46 3,76 3,92 3,93 3,99 0,17 0,07
125 657,17 3,73 3,88 3,94 3,99 0,21 0,11
126 652,73 3,62 3,83 3,91 3,95 0,29 0,12
127 648,15 3,58 3,77 3,86 3,91 0,28 0,13
128 643,43 3,50 3,71 3,80 3,88 0,3 0,16
129 638,56 3,46 3,65 3,73 3,83 0,27 0,18
130 633,56 3,49 3,58 3,67 3,76 0,18 0,18
131 628,41 3,43 3,53 3,60 3,69 0,17 0,16
132 623,12 3,38 3,48 3,60 3,63 0,22 0,15
133 617,69 3,35 3,45 3,52 3,59 0,17 0,14
134 612,11 3,28 3,42 3,51 3,55 0,23 0,14
135 606,40 3,23 3,38 3,49 3,52 0,26 0,14
136 600,54 3,17 3,34 3,50 3,50 0,33 0,15
137 594,54 3,11 3,29 3,48 3,49 0,37 0,19
70
138 588,40 3,09 3,24 3,50 3,49 0,41 0,25
139 582,12 3,02 3,18 3,54 3,50 0,52 0,31
140 575,70 2,92 3,13 3,63 3,52 0,71 0,40
141 569,13 2,86 3,07 3,72 3,59 0,86 0,52
142 562,42 2,81 3,01 3,82 3,68 1,01 0,67
143 555,57 2,83 2,95 3,95 3,78 1,12 0,84
144 548,58 2,81 2,89 4,10 3,90 1,29 1,02
145 541,45 2,90 2,84 4,26 4,04 1,36 1,20
146 534,17 3,04 2,83 4,31 4,18 1,27 1,36
147 526,76 3,13 2,84 4,21 4,28 1,08 1,44
148 519,20 3,35 2,90 4,40 4,31 1,05 1,41
149 511,50 3,49 3,00 4,36 4,31 0,87 1,32
150 503,66 3,57 3,13 4,38 4,35 0,81 1,22
151 495,67 3,66 3,28 4,30 4,37 0,64 1,10
152 487,55 3,68 3,42 4,35 4,36 0,67 0,94
153 479,28 3,64 3,55 4,02 4,30 0,38 0,75
154 470,87 3,77 3,64 4,36 4,22 0,59 0,58
155 462,32 3,74 3,69 4,40 4,21 0,66 0,51
156 453,62 3,77 3,73 4,31 4,30 0,54 0,57
157 444,79 3,88 3,75 4,34 4,38 0,46 0,63
158 435,81 3,92 3,77 4,32 4,37 0,4 0,60
159 426,70 3,88 3,80 4,40 4,33 0,52 0,53
160 417,44 4,01 3,84 4,26 4,33 0,25 0,50
71
Anexo B. Tabla de datos espectro de absorción Cúrcuma.
Blanco Alcohol Cúrcuma Blanco - cúrcuma
Grados ° Longitud
de onda Sin filtro Con filtro Sin filtro Con filtro Sin filtro Con filtro
105 716,17 3,89 3,92 4,01 4,04 0,12 0,12
106 714,56 3,88 3,92 4 4,03 0,12 0,11
107 712,82 3,87 3,91 3,99 4,01 0,12 0,1
108 710,93 3,86 3,9 3,97 4 0,11 0,1
109 708,91 3,85 3,89 3,95 3,97 0,1 0,08
110 706,74 3,85 3,89 3,93 3,99 0,08 0,1
111 704,42 3,83 3,87 3,91 3,98 0,08 0,11
112 701,97 3,81 3,85 3,9 3,96 0,09 0,11
113 699,37 3,79 3,83 3,89 3,95 0,1 0,12
114 696,64 3,77 3,81 3,88 3,94 0,11 0,13
115 693,76 3,76 3,8 3,88 3,93 0,12 0,13
116 690,74 3,72 3,74 3,86 3,86 0,14 0,12
117 687,57 3,67 3,69 3,76 3,82 0,09 0,13
118 684,27 3,64 3,66 3,7 3,76 0,06 0,1
119 680,82 3,6 3,62 3,65 3,7 0,05 0,08
120 677,24 3,55 3,58 3,64 3,65 0,09 0,07
121 673,51 3,5 3,56 3,6 3,62 0,1 0,06
122 669,63 3,48 3,52 3,58 3,48 0,1 0,04
123 665,62 3,46 3,5 3,55 3,52 0,09 0,02
124 661,46 3,45 3,49 3,5 3,56 0,05 0,07
125 657,17 3,43 3,49 3,49 3,54 0,06 0,05
126 652,73 3,4 3,43 3,39 3,41 0,01 0,02
127 648,15 3,3 3,35 3,36 3,39 0,06 0,04
128 643,43 3,25 3,3 3,3 3,35 0,05 0,05
129 638,56 3,21 3,24 3,24 3,29 0,03 0,05
130 633,56 3,18 3,19 3,2 3,25 0,02 0,06
131 628,41 3,14 3,17 3,16 3,19 0,02 0,02
132 623,12 3,1 3,12 3,12 3,14 0,02 0,02
133 617,69 3,04 3,08 3,04 3,09 0 0,01
134 612,11 2,98 3,01 3,04 3,06 0,06 0,05
135 606,40 2,96 2,99 3 3,02 0,04 0,03
136 600,54 2,92 2,98 2,97 2,99 0,05 0,01
137 594,54 2,86 2,9 2,93 2,95 0,07 0,05
72
138 588,40 2,84 2,88 2,91 2,95 0,07 0,07
139 582,12 2,83 2,85 2,9 2,93 0,07 0,08
140 575,70 2,84 2,86 2,9 2,94 0,06 0,08
141 569,13 2,9 2,96 3,1 3,16 0,2 0,2
142 562,42 3,1 3,16 3,22 3,3 0,12 0,14
143 555,57 3,2 3,22 3,42 3,48 0,22 0,26
144 548,58 3,3 3,36 3,6 3,67 0,3 0,31
145 541,45 3,4 3,48 3,7 3,74 0,3 0,26
146 534,17 3,6 3,66 3,9 3,96 0,3 0,3
147 526,76 3,74 3,77 4 4,09 0,26 0,32
148 519,20 3,8 3,84 4,12 4,18 0,32 0,34
149 511,50 3,84 3,88 4,21 4,3 0,37 0,42
150 503,66 3,88 3,94 4,29 4,38 0,41 0,44
151 495,67 3,99 4,06 4,42 4,52 0,43 0,46
152 487,55 3,9 3,94 4,34 4,44 0,44 0,5
153 479,28 3,92 3,95 4,44 4,51 0,52 0,56
154 470,87 3,96 4 4,48 4,57 0,52 0,57
155 462,32 4 4,05 4,54 4,64 0,54 0,59
156 453,62 4,19 4,2 4,76 4,8 0,57 0,6
157 444,79 4,1 4,15 4,4 4,51 0,3 0,36
158 435,81 4,16 4,23 4,42 4,51 0,26 0,28
159 426,70 4,27 4,35 4,44 4,56 0,17 0,21
160 417,44 4,3 4,39 4,47 4,58 0,17 0,19
73
Anexo C. Prototipo construido
74
Anexo D. Plano 3D prototipo FIQ 02-VIS
75
Vista superior prototipo de espectrofotómetro
76
Anexo E. Códigos de programación Arduino y LabVIEW
Programación Interfaz Arduino
77
Interfaz Gráfica para interacción con el espectrofotómetro
Programa sensor TCS3200, desarrollado en el software Arduino
const int s0 = 5;
const int s1 = 4;
const int s2 = A1;
const int s3 = A2;
const int out = A0;
int rojo = 0;
int verde = 0;
int azul = 0;
void setup(){
Serial.begin(9600);
pinMode(s0,OUTPUT);
pinMode(s1,OUTPUT);
pinMode(s2,OUTPUT);
pinMode(s3,OUTPUT);
pinMode(out,INPUT);
digitalWrite(s0,HIGH);
digitalWrite(s1,HIGH);
}
78
void loop(){
color();
Serial.print(" ");
Serial.print(rojo, DEC);
Serial.print(" ");
Serial.print(verde, DEC);
Serial.print(" ");
Serial.print(azul, DEC);
if (rojo < azul && verde > azul && rojo < 70)
{
Serial.println(" Rojo");
}
else if (azul < rojo && azul < verde && verde < rojo)
{
Serial.println(" Azul");
}
else if (rojo > verde && azul > verde )
{
Serial.println(" Verde");
}
else{
Serial.println(" ");
}
delay(900);
}
void color()
{
digitalWrite(s2, LOW);
digitalWrite(s3, LOW);
rojo = pulseIn(out, digitalRead(out) == HIGH ? LOW : HIGH);
digitalWrite(s3, HIGH);
azul = pulseIn(out, digitalRead(out) == HIGH ? LOW : HIGH);
digitalWrite(s2, HIGH);
verde = pulseIn(out, digitalRead(out) == HIGH ? LOW : HIGH);
}
79
Programación LabVIEW
Casos para mover servo y subir o bajar ángulo de giro – LabVIEW
80
Programación desarrollada en el software LabVIEW