Caracterizaci
´
on de L
´
ıquidos por T
´
ecnica
Fotoac
´
ustica: Estudio de Sensores Piezoel
´
ectricos
de Banda Ancha
L. Cusato
∗
, M. Estevez
∗
, G. Santiago
∗1
and M. G. Gonz
´
alez
∗†2
∗
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingenier
´
ıa,
Grupo de L
´
aser,
´
Optica de Materiales y Aplicaciones Electromagn
´
eticas (GLOMAE)
Paseo Col
´
on 850, C1063ACV, Buenos Aires, Argentina
1
gsantia@fi.uba.ar
†
Consejo Nacional de Investigaciones Cient
´
ıficas y T
´
ecnicas, (CONICET)
C1425FQB, Buenos Aires, Argentina
2
mggonza@fi.uba.ar
Abstract—In this paper we present the study of three
sensors, based on piezoelectric polymer thin films, for
photoacoustic systems used in the characterization of liquids.
Its performance was compared by carrying out measurements
on well-known liquids. From the measured data, the sensitivity,
noise level and quantification limit of each of the sensors were
determined. The device with the best characteristics was used
in the determination of the quantum efficiency of two dyes:
Rhodamine 6G and Rhodamine B. The measured values agree
very well with those reported by other authors.
Resumen— En este trabajo se presenta el estudio sobre tres
sensores para sistemas fotoac
´
usticos usados en caracterizaci
´
on
de l
´
ıquidos basados en pel
´
ıculas delgadas de pol
´
ımero
piezol
´
ectrico. Su desempe
˜
no fue comparado llevando a cabo
mediciones sobre l
´
ıquidos de caracter
´
ısticas bien conocidas.
A partir de los datos medidos se determin
´
o la sensibilidad,
el nivel de ruido y el l
´
ımite de cuantificaci
´
on de cada uno
de los sensores. Aquel con las mejores caracter
´
ısticas fue
utilizado en la determinaci
´
on de la eficiencia cu
´
antica de los
colorantes Rodamina 6G y Rodamina B. Los valores medidos
concuerdan muy bien con los reportados por otros autores.
I. INTRODUCCI
´
ON
La t
´
ecnica fotot
´
ermica (FT) es valorada en
´
areas como
medici
´
on de trazas de gases, determinaci
´
on de propiedades
de l
´
ıquidos y s
´
olidos o formaci
´
on de im
´
agenes virtuales de
objetos opacos. Entre otras virtudes se cuentan la simpleza,
el relativo bajo costo y la flexibilidad para aplicarlas a
numerosos procesos de medida [1].
La t
´
ecnica FT est
´
a basada en la absorci
´
on de radiaci
´
on
electromagn
´
etica por parte de la muestra bajo estudio.
Cuando las mol
´
eculas absorben la radiaci
´
on, se genera un es-
tado excitado que, al relajarse en forma no radiativa, produce
un calentamiento en la muestra. Este calentamiento genera
ondas de presi
´
on y cambios en las propiedades
´
opticas que
pueden ser medidos a trav
´
es de diferentes detectores. Si
la magnitud medida son las ondas de presi
´
on, la t
´
ecnica
usualmente se denomina fotoac
´
ustica (FA) [2].
Todo esquema experimental FA consta de tres partes
esenciales [1]: i) una fuente de excitaci
´
on, usualmente un
l
´
aser; ii) el conjunto recinto-sensor, donde se coloca la
muestra y se mide la se
˜
nal FA generada; iii) y el procesado
de la se
˜
nal captada para obtener de ella la informaci
´
on.
Fig. 1. Configuraci
´
on experimental t
´
ıpica para medici
´
on de l
´
ıquidos
usando la t
´
ecnica FA
Los requerimientos generales buscados en un sistema FA
son: alta sensibilidad, selectividad, amplio rango din
´
amico,
mediciones en tiempo real, portabilidad y bajo costo. Para
lograrlos, deben estudiarse y desarrollarse mejoras sobre
cada uno de los componentes esenciales.
En este trabajo se presenta el estudio sobre tres conjuntos
recinto-sensor de sistemas FA para la determinaci
´
on de la
eficiencia cu
´
antica de fluorescencia de l
´
ıquidos.
II. LA T
´
ECNICA FA EN L
´
IQUIDOS
Un sistema FA t
´
ıpico para caracterizaci
´
on de l
´
ıquidos [3]
se muestra en la Fig. 1 donde se pueden apreciar las tres
partes esenciales detalladas en la secci
´
on anterior. Como
fuente de excitaci
´
on se tiene un l
´
aser pulsado cuya energ
´
ıa
es medida por un detector piroel
´
ectrico. El haz es limitado
espacialmente por un iris y su ancho es adecuado a trav
´
es del
uso de una lente convergente. El conjunto recinto sensor se
encuentra conformado por una cubeta y un sensor ac
´
ustico
adosado en una de sus paredes. La se
˜
nal captada por el
sensor es amplificada y posteriormente digitalizada por un
osciloscopio. Finalmente los datos son procesados en una
computadora para obtener los par
´
ametros buscados.
La energ
´
ıa transmitida a la muestra, caracterizada por el
coeficiente de absorci
´
on
´
optico µ y el camino recorrido en
la muestra l, est
´
a dada por [4]:
E
t
= E
0
e
−µl
(1)
Recibido: 22/05/17; Aceptado: 03/07/17
Revista elektron, Vol. 1, No. 1, pp. 8-15 (2017)
ISSN 2525-0159
8
con E
0
la energ
´
ıa del l
´
aser incidente. La energ
´
ıa absorbida
por la muestra es:
E
a
= E
0
(1 − e
−µl
) (2)
Adem
´
as, el coeficiente de absorci
´
on se puede calcular
como µ = C, con C la concentraci
´
on de la muestra y
el coeficiente de extinci
´
on de la misma.
Si los efectos radiativos y las reacciones qu
´
ımicas fotoin-
ducidas pueden ser desechados, entonces toda la energ
´
ıa
absorbida se convierte en calor. Este calor determina la
generaci
´
on de pulsos ac
´
usticos debidos a una expansi
´
on
adiab
´
atica. La amplitud de esta presi
´
on depende linealmente
con la energ
´
ıa absorbida por la muestra [4]:
p ∝
βc
2
C
p
l
E
a
=
βc
2
C
p
l
E
0
(1 − e
−µl
) (3)
donde β es el coeficiente de expansi
´
on t
´
ermica, c la veloci-
dad del sonido y C
p
el calor espec
´
ıfico.
As
´
ı como en los espectr
´
ometros UV-visible, en estos
sistemas FA es usual el uso de una cubeta para contener la
muestra a ser analizada. Para este tipo de recinto, las ondas
de presi
´
on generadas por un haz l
´
aser colimado (el ancho
espacial no var
´
ıa con la distancia) podr
´
an ser esf
´
ericas,
cil
´
ındricas o una combinaci
´
on de ambas dependiendo del
valor de µ, que a su vez define una longitud de penetraci
´
on δ.
Si δ >> l, se generan ondas cil
´
ındricas cuyo eje es la regi
´
on
de la muestra que absorbi
´
o energ
´
ıa l
´
aser. Si δ << l, se tiene
una fuente ac
´
ustica puntual lo que llevar
´
a a la generaci
´
on
de ondas esf
´
ericas. En la situaci
´
on intermedia, δ ' l, se
generar
´
an ondas de los dos tipos [4]. La forma de la onda
de presi
´
on tambi
´
en depende del perfil espacial del haz l
´
aser
que incide sobre la muestra. En este trabajo las mediciones
siempre fueron hechas para δ >> l. Para esta condici
´
on y
si el haz l
´
aser es enfocado, la fuente de ondas ac
´
usticas es
una peque
˜
na regi
´
on alrededor del foco, aproximable a una
fuente puntual. Por lo tanto, la forma de onda de presi
´
on
depender
´
a principalmente del perfil espacial del haz l
´
aser
dentro de la cubeta.
En el caso en que µl << 1, la presi
´
on generada es lineal
con la absorbancia del material A = µl = Cl:
p ∝
βc
2
C
p
l
E
0
µl (4)
A. Dependencia temporal de la fuente l
´
aser
Como se desprende de lo descripto m
´
as arriba, es esencial
conocer la dependencia temporal del haz l
´
aser. En todas las
experiencias llevadas a cabo en este trabajo se utiliz
´
o un
l
´
aser Nd:YAG Q-switched pulsado doblado en frecuencia
(Continuum Minilite I, 532 nm, 10 Hz, polarizaci
´
on verti-
cal).
Para determinar el perfil temporal del haz se utiliz
´
o un
fotodiodo (Motorola MRD500, 1ns, -18 V). Un polarizador
de Nicoll fue usado para atenuar la energ
´
ıa del l
´
aser captada
por el fotodiodo. De esta manera se protege la integridad del
fotodiodo y se evitan saturaciones que degraden el ancho de
banda del detector y la forma temporal que se desea medir
[5]. La tensi
´
on de salida entregada por el fotodiodo fue
digitalizada por un osciloscopio (Tektronix TDS2024B, 2
GS/s, 200 MHz) y procesada en una computadora personal.
Fig. 2. Se
˜
nal fotodiodo medida (asteriscos) y ajuste con funci
´
on gaussiana
(l
´
ınea llena).
La se
˜
nal para sincronizar el disparo del osciloscopio fue
obtenida del pulso de Q-switch. La se
˜
nal medida se muestra
en la Fig. 2. La medici
´
on fue ajustada a un perfil gaussiano
obteni
´
endose un ancho a mitad de altura de 4.8 ns ± 2 ns.
B. Medici
´
on de la energ
´
ıa de un pulso l
´
aser
La amplitud de la presi
´
on ac
´
ustica, a una dada absorban-
cia, depende de la energ
´
ıa l
´
aser incidente. Por lo tanto para la
caracterizaci
´
on de un l
´
ıquido es necesario conocer su valor.
En este trabajo se utiliz
´
o un detector piroel
´
ectrico (Coherent
LMP10) para verificar la estabilidad del pulso l
´
aser en el
tiempo. Para ello se midi
´
o la energ
´
ıa cada 1 minuto durante
30 minutos. Para digitalizar la se
˜
nal entregada por el detector
se us
´
o el mismo osciloscopio de la subsecci
´
on anterior.
Se encontr
´
o que la energ
´
ıa del haz var
´
ıa como m
´
aximo
un 3%, y que esta diferencia se debe m
´
as a la discretizaci
´
on
del osciloscopio que a una variaci
´
on real del pulso.
En muchos casos fue necesario llevar a cabo las expe-
riencias con energ
´
ıas del orden o inferiores a la m
´
ınima
energ
´
ıa detectable por el dispositivo piroel
´
ectrico (0.7 mJ);
lo que conlleva a mediciones de energ
´
ıa muy ruidosas.
Para solucionar esto, se decidi
´
o filtrar el ruido a trav
´
es
del uso de redes neuronales [6]. La red escogida para el
filtrado pertenece al tipo perceptron multicapa. El esquema
implementado presenta 1000 neuronas en la capa de entrada,
2 capas ocultas con 20 neuronas cada una y una capa de
salida con 1000 neuronas. Los patrones de entrenamiento
de la red se generaron a partir de una se
˜
nal medida con una
buena relaci
´
on se
˜
nal a ruido (SNR). Es importante destacar
que mientras mayor es la variabilidad y cantidad de patrones,
mayor ser
´
a la capacidad para recuperar la se
˜
nal inmersa
en ruido. Sin embargo, esto est
´
a limitado al procesador
y memoria de la computadora utilizada. Generalmente, se
escoge un error de entrenamiento teniendo en cuenta todos
los par
´
ametros antes mencionados. En la Fig. 3 se puede
apreciar el funcionamiento de la red como filtro de se
˜
nales
piroel
´
ectricas corrompidas por ruido incoherente.
III. SENSORES PIEZOEL
´
ECTRICOS DE BANDA ANCHA
En este trabajo se presenta el estudio sobre tres sen-
sores basados en pol
´
ımero piezoel
´
ectrico. Los pol
´
ımeros
piezoel
´
ectricos, como el polifluoruro de vinilideno (PVDF)
y sus copol
´
ımeros, son muy usados en la construcci
´
on de
Revista elektron, Vol. 1, No. 1, pp. 8-15 (2017)
ISSN 2525-0159
9
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Fig. 3. Se
˜
nal piroel
´
ectrica a energ
´
ıas bajas (< 0.7 mJ). L
´
ınea azul: medida.
L
´
ınea roja: filtrada.
sensores debido a sus propiedades f
´
ısicas que permiten su
utilizaci
´
on en gran cantidad de aplicaciones. Estos materia-
les son flexibles, est
´
an disponibles como pel
´
ıculas delgadas,
tienen un gran ancho de banda ac
´
ustica, y sus valores de
impedancia ac
´
ustica est
´
an pr
´
oximos al del agua lo que
los vuelve interesantes para su aplicaci
´
on en el estudio de
l
´
ıquidos [7], [8]. Las propiedades aqu
´
ı detalladas dependen,
entre otras cosas, fuertemente de c
´
omo el film es adherido
al substrato o cuerpo del sensor. Se probaron tres esquemas
cuyo desempe
˜
no fue comparado llevando a cabo mediciones
sobre dos l
´
ıquidos de caracter
´
ısticas bien conocidas (Anilina
y Orange II). A partir de las mediciones se determin
´
o la res-
puesta temporal, la sensibilidad, el l
´
ımite de cuantificaci
´
on
y el nivel de ruido de cada uno de los sensores.
Los tres sensores fueron implementados con pel
´
ıculas del-
gadas piezoel
´
ectricas mono-orientadas de PVDF comercial
(Piezotech SA, Saint Louis, Francia) de 25 µm de espesor.
El sensor I consiste en una cubeta para espectroscop
´
ıa
(4 cm
3
) que posee adherido a una de sus paredes mediante
pintura de plata (Electroqu
´
ımica Delta SRL, Argentina) el
PVDF con forma circular (6 mm de di
´
ametro) y encapsulado
en un conector BNC est
´
andar. Este recinto-sensor fue usado
en un esquema similar al detallado en la Fig. 1, con una
lente de distancia focal de 50 mm.
Para el sensor II se pegaron dos cubetas como las del
sensor I, y se coloc
´
o en medio un film cuadrado de 9 mm
de lado. El esquema experimental utilizado se muestra en la
Fig. 4. Lo que se busc
´
o en este caso fue lograr un aumento
de la amplitud medida en un factor dos a trav
´
es de la mayor
compresi
´
on del film conseguida por las ondas de presi
´
on
generadas en las cubetas. Como se requer
´
ıan dos haces que
incidieran en ambas cubetas a la vez, se utiliz
´
o un separador
de haz de cuarzo para dividir el haz incidente.
El dispositivo III es similar al sensor I pero la cubeta
tiene un volumen menor (1.6 cm
3
) y el film de iguales
dimensiones se encuentra adherido con epoxy conductivo
(Circuitworks Planned products, Santa Cruz CA). Este sen-
sor se utiliz
´
o en el mismo esquema experimental que para
Fig. 4. Configurac
´
on experimental para el sensor II.
el caso del transductor I.
El potencial gran ancho de banda de la pel
´
ıcula delgada
de PVDF s
´
olo puede aprovecharse cuando la resistencia de
carga del mismo es lo suficientemente reducida como para
dar una constante de tiempo igual o inferior al per
´
ıodo de la
se
˜
nal a ser medida. Este sensor se comporta, primariamente,
como una fuente de corriente en paralelo con un capacitor
de decenas de picofaradios [9]. Este equivalente el
´
ectrico
muestra que es imposible conectar un sensor de este tipo
a la entrada de un amplificador de tensi
´
on (como la de un
osciloscopio), porque el ancho de banda efectivo resultar
´
ıa
de apenas unas pocas decenas de kHz. Tampoco servir
´
ıa
reducir la resistencia de carga dado que la responsividad
del sistema ser
´
ıa demasiado peque
˜
na. Por estos motivos, es
necesario utilizar un amplificador de transimpedancia con
baja impedancia de entrada y gran ancho de banda. En el
estudio llevado a cabo aqu
´
ı se us
´
o el amplificador marca
Femto modelo HCA-100M-50K-C (50 kV/A, 100 MHz@10
pF).
A. An
´
alisis de la respuesta temporal
Se midi
´
o la respuesta temporal de los tres sensores para
los colorantes mencionados anteriormente. Una se
˜
nal t
´
ıpica
medida por el sensor I del colorante anilina disuelto en agua
deionizada se muestra en la Fig. 5. C
´
omo se describi
´
o en
la secci
´
on II, la dependencia temporal del pulso l
´
aser es
aproximadamente de tipo gaussiano. Considerando que la
relajaci
´
on del medio es r
´
apida, es l
´
ogico suponer una onda
de presi
´
on con la misma dependencia temporal. A su vez,
la carga generada en los electrodos del film piezoel
´
ectrico
es proporcional a esta presi
´
on. Sin embargo, lo que es
amplificado es la corriente, con lo cual la se
˜
nal medida es
proporcional a la derivada del pulso. Se puede apreciar que
la onda principal generada en el centro de la cubeta aparece
a los 3.40 µs, con respecto al pulso l
´
aser. Este retardo se
relaciona con el hecho de que el pulso de presi
´
on atraviesa
5 mm de l
´
ıquido, y luego 1 mm de cuarzo (pared de la
cubeta). Por otro lado, en los primeros 100 ns de la se
˜
nal
medida se pudo apreciar un ruido coherente proveniente del
l
´
aser (Fig. 5a), producto de un blindaje electromagn
´
etico
imperfecto por parte del sensor [9]. Adem
´
as, se observaron
una serie de r
´
eplicas de la onda principal a los 3.9 µs
(Fig. 5c), que son debidas a rebotes de la onda principal
dentro de la pared de la cubeta que contiene al sensor. La
respuesta temporal no depende del colorante utilizado.
Para los otros sensores se realiz
´
o un an
´
alisis similar al
Revista elektron, Vol. 1, No. 1, pp. 8-15 (2017)
ISSN 2525-0159
10
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Fig. 5. Se
˜
nal medida por sensor I de una muestra de anilina en agua. a)
se
˜
nal electromagn
´
etica generada por el Q-switched b) se
˜
nal de presi
´
on c)
rebotes de la se
˜
nal de presi
´
on en la pared de la cubeta
Fig. 6. Se
˜
nal sensor II para Orange II en etanol.
anterior. Las se
˜
nales t
´
ıpicas para el colorante Orange II en
etanol se muestran en las Figs. 6 y 7. Los tiempos medidos
para estos sensores difireren de los anteriores acorde a que
que las distancias entre la fuente ac
´
ustica y el sensor y
los espesores de los recintos que contienen la muestra son
diferentes.
En el caso particular del sensor II, se realiz
´
o una expe-
riencia a fin de constatar el funcionamiento esperado del
dispositivo (obtener una duplicaci
´
on de la se
˜
nal). Para ello
se midi
´
o la se
˜
nal obtenida para una soluci
´
on de Orange II.
Primero se irradi
´
o una cubeta y se obtuvo la respuesta, luego
se repiti
´
o para la otra y, finalmente, se hizo la suma de
la mediciones. Por otro lado, se irradi
´
o ambas cubeta al
mismo tiempo. Se comprob
´
o que la medici
´
on de todo el
sistema en simult
´
aneo era la suma de las se
˜
nales de cada
cubeta. La dificultad de este sistema reside en la correcta
alineaci
´
on del mismo, ya que para lograr una duplicaci
´
on
de la amplitud es necesario que ambas se
˜
nales provenientes
de las cubetas, lleguen al sensor al mismo tiempo. Luego de
un largo proceso de alineaci
´
on se logr
´
o el objetivo buscado
y el resultado se muestra en la Fig. 8.
Fig. 7. Se
˜
nal sensor III para Orange II en etanol.
Fig. 8. Se
˜
nal sensor III cuando el l
´
aser incide en una cubeta (gris) y
cuando ingresa en las dos cubetas en simult
´
aneo (rojo).
B. Sensibilidad y se
˜
nal de fondo
Los tres sistemas estudiados fueron calibrados usando dis-
tintas muestras de Orange II (Merck, 99.9 %) en etanol ab-
soluto (Acidic EtOH, Dorwil, etanol 99.5 %, H
2
O m
´
aximo
0,2 %). En la Fig. 9 se muestran los espectros medidos para
distintas diluciones. Se utiliz
´
o un espectr
´
ometro Shimadzu
UV-1800 para medir la absorbancia de las muestras.
En la Fig. 10 se muestra los resultados correspondientes
al sensor I con su ajuste en la zona lineal. C
´
omo estimador
se utiliz
´
o la amplitud pico a pico de las se
˜
nales, y se
las normaliz
´
o con los valores de energ
´
ıas correspondientes
a las mediciones. Adem
´
as, se midi
´
o la amplitud de la
se
˜
nal de fondo (etanol puro), que corresponde al l
´
ımite de
cuantificaci
´
on del sistema. Gr
´
aficos similares al mostrado en
la Fig. 10 se obtuvieron para los sensores II y III.
C. Nivel de Ruido
Para medir el nivel de ruido presente en un se
˜
nal se
midi
´
o la amplitud pico a pico del mismo y se tuvo en
cuenta el ancho de banda espectral del sistema. Como se
detall
´
o en la secci
´
on II el ancho de banda del conjunto
sensor-amplificador depende principalmente de la capacidad
el
´
ectrica equivalente del sensor. De esta manera, se procedi
´
o
a calcular el nivel de ruido como V
pp
/
√
AB donde AB es el
ancho de banda del sistema sensor-amplificador. Siguiendo
Revista elektron, Vol. 1, No. 1, pp. 8-15 (2017)
ISSN 2525-0159
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Fig. 9. Espectros de las distintas diluciones de Orange II utilizadas.
Fig. 10. Amplitud normalizada de las se
˜
nales FA en funci
´
on de la
absorbancia. Asterisco: Orange II + etanol. L
´
ınea s
´
olida: ajuste lineal.
Tri
´
angulo: l
´
ımite de cuantificaci
´
on del sistema (medici
´
on etanol puro)
la metodolog
´
ıa reportada en [9], para los sensores I y III se
determin
´
o un AB = 40 MHz, mientras que para el sensor II
AB = 10 MHz, debido a que posee una capacidad el
´
ectrica
equivalente mayor.
D. Comparaci
´
on de los sensores
En la Fig. 11 se muestra un cuadro donde se comparan
las caracter
´
ısticas de los distintos sensores estudiados.
El sensor II es el m
´
as sensible pero con el peor valor de
Fig. 11. Cuadro comparativo de los sensores estuadiados.
a
La sensibilidad
se define como la amplitud normalizada por la energ
´
ıa del haz l
´
aser y la
absorbancia, que se corresponde con la pendiente de la recta de calibraci
´
on.
El l
´
ımite de cuantificaci
´
on del sensor es la absorbancia de la m
´
ınima se
˜
nal
de presi
´
on medible, que corresponde a la se
˜
nal de fondo (etanol puro).
l
´
ımite de detecci
´
on dado que tiene el mayor nivel de ruido.
Adem
´
as, presenta la dificultad de alineaci
´
on mencionada
m
´
as arriba. El sensor I posee una sensibilidad similar al
sensor II con un nivel de ruido menor y un sencillo esquema
experimental. Finalmente, el sensor III tambi
´
en presenta
bajo nivel ruido y requiere un peque
˜
no volumen de muestra
y posee una menor sensibilidad que los otros sensores.
Un an
´
alsis posterior mostr
´
o que la mayor sensibilidad
del sensor I es debida a la mayor adherencia del PVDF al
substrato (en este caso vidrio). Esto sugiere que la pintura
de plata ser
´
ıa una mejor opci
´
on que el epoxy para actuar
como adhesivo conductivo.
Para la determinaci
´
on de la eficiencia cu
´
antica de sus-
tancias luminiscentes, objetivo de la siguiente secci
´
on, era
necesario emplear poca soluci
´
on por cada medici
´
on, por
lo que se recurri
´
o al sensor III, pese a ser el de menor
sensibilidad.
IV. DETERMINACI
´
ON DE LA EFICIENCIA CU
´
ANTICA
Para cualquier tipo de sustancia fotoluminiscente, la efi-
ciencia cu
´
antica de su luminiscencia φ
f
representa una
de sus propiedades m
´
as importantes. El conocimiento de
φ
f
provee informaci
´
on de los procesos no radiativos en
mol
´
eculas y, en el caso de colorantes org
´
anicos, es esen-
cial para seleccionar un medio l
´
aser eficiente. Adem
´
as
su medici
´
on es importante para distintas aplicaciones
biom
´
edicas [10], [11].
La eficiencia cu
´
antica expresa una medida directa de la
conversi
´
on de fotones absorbidos N
abs
en fotones emitidos
N
em
:
φ
f
=
N
em
N
abs
(5)
Para su c
´
alculo es necesario considerar los procesos
radiativos y no radiativos que se dan en el medio analizado.
En el caso en que los procesos radiativos de relajaci
´
on
pueden ser despreciados, entonces la energ
´
ıa absorbida se
convierte s
´
olo en calor [4].
Los m
´
etodos convencionales de medici
´
on requieren de
la comparaci
´
on de la muestra bajo estudio con otra de φ
f
conocida [12], y la exactitud de la medici
´
on se encuentra
limitada por la confiabilidad de la t
´
ecnica de comparaci
´
on
aplicada.
Para soluciones transparentes, el m
´
etodo m
´
as elemental
para calcular φ
f
consiste en comparar la intensidad de
fluorescencia de una soluci
´
on de un fluor
´
oforo con la de otra
de φ
f
conocida, bajo las mismas condiciones de medici
´
on.
En caso se usan espectr
´
ometros de fluorescencia y absorci
´
on
convencionales. Algunos inconvenientes que presenta este
m
´
etodo surgen del valor de referencia usado. El uso de una
esfera integradora es una posible soluci
´
on para que la φ
f
de referencia utilizada presente la menor incerteza posible.
La misma permite medir N
abs
y N
em
directamente. La
desventaja es que presenta una calibraci
´
on compleja y la
necesidad de corregir los efectos de reabsorci
´
on.
Por otro lado, la φ
f
puede ser calculada indirectamente
mediante la medici
´
on de la fracci
´
on de radiaci
´
on inci-
dente convertida en calor. En este caso se usan m
´
etodos
fotot
´
ermicos como, por ejemplo, la espectroscop
´
ıa FA de-
tallada en la secci
´
on II. La t
´
ecnica FA tiene como ventaja
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una relativamente simple calibraci
´
on con la muestra no
fluorescente de referencia y, en general, posee una gran
sensibilidad. Adem
´
as, los m
´
etodos fotot
´
ermicos miden con
gran exactitud y son altamente reproducibles.
La amplitud de la onda de presi
´
on p generada en la
muestra al ser irradiada, ec. 4, puede reescribirse teniendo
en cuenta la relajaci
´
on radiativa [12]:
p(λ
ex
) = kς
βc
2
C
p
l
E
0
A(λ
ex
) = kςα(λ
ex
) (6)
donde k es un factor de correcci
´
on relacionado con la
muestra y la medici
´
on, λ
ex
la longitud de onda de excitaci
´
on
y ς la relaci
´
on entre la relajaci
´
on radiativa y no radiativa.
Cuando los procesos de relajaci
´
on radiativos (por ejemplo
la fluorescencia) o las reacciones qu
´
ımicas fotoinducidas
pueden ser descartados, ς es igual a 1. Para una muestra
fluorescente con especies que emiten y absorben s
´
olo una
vez, la ec. 6 puede ser reescrita como [12]:
p(λ
ex
) = α(λ
ex
)k(1 −
λ
ex
λ
em
φ
f
) (7)
donde λ
em
es la longitud de onda de emisi
´
on m
´
axima del
espectro del fluor
´
osforo, α es directamente proporcional a
la fracci
´
on de luz absorbida por la muestra y el t
´
ermino
entre par
´
entesis representa la p
´
erdida por fotoactividad de la
se
˜
nal FA. Como se mencion
´
o anteriormente, la eficiencia del
fluor
´
osforo se mide relativa a una sustancia de referencia que
no fluoresce (conversi
´
on enteramente a calor) en las mismas
condiciones de medici
´
on. Para esta sustancia, donde no hay
procesos radiativos,
p
ref
= αk (8)
Luego, se puede obtener la raz
´
on entre p y p
ref
a partir
del t
´
ermino de p
´
erdida radiativa:
p(λ
ex
)
p
ref
(λ
ex
)
= 1 −
λ
ex
λ
em
φ
f
(9)
Conociendo λ
em
puede obtenerse φ
f
, despejando de la
ecuaci
´
on anterior:
φ
f
=
λ
ex
λ
em
(1 −
p(λ
ex
)
p
ref
(λ
ex
)
) (10)
A. Colorantes luminiscentes y de referencia
Se prob
´
o el sistema con dos compuestos de la familia de
las rodaminas. Las rodaminas son derivados xant
´
enicos que
se utilizan en la implementaci
´
on de l
´
aseres. Sus espectros
de emisi
´
on se encuentran entre los 500 nm y 700 nm [13]
y poseen rendimientos cu
´
anticos de fluorescencia elevados
[14]. Las rodaminas son solubles tanto en agua como
en alcoholes, y sus propiedades espectrosc
´
opicas se ven
influenciadas por la interacci
´
on con estos solventes [15].
En este trabajo se utilizaron soluciones de Rodamina 6G
(R6G, Exciton Inc, Rhodamine 590 Chloride, dye content
> 99%) y Rodamina B (RB, Exciton Inc, Rhodamine 610,
dye content > 99%) disueltas en etanol absoluto (Acidic
EtOH, Dorwil, etanol 99,5 %, H
2
O m
´
aximo 0,2 %).
La Rodamina 6G es utilizada com
´
unmente como medio
amplificador para l
´
aseres de colorante, por este motivo es
de inter
´
es el estudio de su φ
f
. En soluciones acuosas con
Fig. 12. Espectros de absorci
´
on (l
´
ınea punteada) y de emisi
´
on (l
´
ınea llena)
de la Rodamina 6G
concentraciones cercanas a 10
−5
M la concentraci
´
on de
d
´
ımeros no puede despreciarse en la determinaci
´
on de φ
f
.
En cambio, en soluciones alcoh
´
olicas como el etanol, la
tendencia a formar d
´
ımeros se ve reducida y
´
estos no se
observan hasta concentraciones del orden de 0.1 M [11].
Basado en esto, para las concentraciones usadas en este
trabajo, puede despreciarse el efecto de
´
estos en los c
´
alculos.
Esta rodamina presenta su m
´
aximo de absorci
´
on en 530 nm
y su m
´
aximo de emisi
´
on en 564 nm, este valor puede variar
seg
´
un la concentraci
´
on. En la Fig. 12 se observa el espectro
de absorci
´
on y de emisi
´
on para una concentraci
´
on del orden
de las utilizadas aqu
´
ı (datos obtenidos de www.exciton.com).
La longitud de onda del l
´
aser utilizada en
´
este trabajo se
encuentra muy cercano al pico de absorci
´
on de la R6G, por
lo cual se espera que una proporci
´
on grande de la energ
´
ıa
incidente sea absorbida.
La Rodamina B presenta su m
´
aximo de absorci
´
on en
564 nm y su m
´
aximo de emisi
´
on en 580 nm cuando es
disuelta en etanol. En la Fig. 13 se detallan los espectro
de emisi
´
on y absorci
´
on de la Rodamina B (datos obtenidos
de www.exciton.com). Dado que el m
´
aximo del espectro de
emisi
´
on de la RB se encuentra m
´
as alejado de la longitud
de onda de excitaci
´
on, se espera hallar una absorci
´
on menor
que para la R6G, con un consecuente menor valor de φ
f
.
Como sustancia de referencia para la medici
´
on de φ
f
se utilizaron los colorantes Fuchsin (Sigma Aldrich, Basic
Fuchsin, dye content > 88%) y Orange II (Merck, 99,9 %)
ya que ninguna de ellas presenta luminiscencia. El Fuchsin
es utilizado para aplicaciones biol
´
ogicas como la coloraci
´
on
de bacterias, como desinfectante y adem
´
as es ampliamente
usado como referencia para medici
´
on de φ
f
. Tiene su pico
de absorci
´
on en 544 nm. El Orange II, tambi
´
en conocido
como acid orange 7, es otro colorante muy utilizado en
biolog
´
ıa. Tiene su m
´
aximo de absorci
´
on en 483 nm. En
la Fig. 14 se muestran los espectros de absorci
´
on medidos
para los colorantes de referencia utilizados.
B. Degradaci
´
on de los colorantes
Se realizaron mediciones a fin de verificar que no hubiese
formaci
´
on de d
´
ımeros en las soluciones de rodamina, los
cuales afectar
´
ıan al valor de φ
f
calculado. Con este objetivo
se utiliz
´
o un dispositivo experimental similar al descrito en
la Fig. 1 pero, en lugar del sensor, se coloc
´
o una cubeta de
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Fig. 13. Espectros de absorci
´
on (l
´
ınea punteada) y de emisi
´
on (l
´
ınea llena)
de la Rodamina B
Fig. 14. Espectros de absorci
´
on de Orange II (naranja) y Fuchsin (violeta)
espectroscop
´
ıa con una soluci
´
on de rodamina en etanol. Se
prepararon 6 muestras id
´
enticas; 5 fueron irradiadas con el
l
´
aser para distintas energ
´
ıas del mismo. Luego se midi
´
o la
absorbancia de cada una de ellas. A mayor energ
´
ıa, es m
´
as
factible la producci
´
on de d
´
ımeros.
Para el colorante R6G se us
´
o una soluci
´
on con con-
centraci
´
on de 10
−5
M, que seg
´
un lo mencionado en la
subsecci
´
on anterior se encuentra dentro del rango donde no
se observa formaci
´
on de d
´
ımeros por alta concentraci
´
on. Los
resultados arrojaron que la variaci
´
on entre las absorbancias
fue menor a 1,7 %. Se realiz
´
o el mismo experimento para el
colorante RB obteni
´
endose un valor de 6 %. Dado que las
absorbancias medidas oscilan alrededor de un valor medio,
consideramos que este diferencia no se debe a la degradaci
´
on
del colorante por irradiaci
´
on l
´
aser sino a las fluctuaciones del
instrumento de medici
´
on, en este caso el espectrofot
´
ometro.
C. Rectas de calibraci
´
on y c
´
alculo de φ
f
Se realizaron las rectas de calibraci
´
on para todos los
colorantes, siguiendo el proceso descrito en la secci
´
on III.
Con el objetivo de estimar el error, el procedimiento fue
realizado repetidas veces. Es importante remarcar que, una
Fig. 15. Mediciones de se
˜
nales para Fuchsin (rombos), Orange II
(tri
´
angulos), Rodamina B (c
´
ıculos) y Rodamina 6G (asteriscos). Las l
´
ıneas
son el resultado de los ajustes lineales de los datos.
Fig. 16. Efciencias cu
´
anticas obtenidas para los colorantes luminiscentes
con distintas referencias.
vez alineado el sensor, deb
´
ıa mantenerse inm
´
ovil durante
todas las mediciones. Por lo tanto no pod
´
ıa retirarse la
cubeta para llenarla con la diluci
´
on correspondiente. Por
esta raz
´
on, se utiliz
´
o una jeringa para extraer el contenido
de la cubeta, y el llenado se hizo volcando directamente
la soluci
´
on; cuidando de no mojar el sensor. Al analizar
todas las mediciones correspondientes a un mismo colorante,
se lav
´
o repetidas veces la cubeta con agua de alta pureza
para evitar que quedaran restos de soluci
´
on que interfirieran
en futuras mediciones. Finalmente, se grafic
´
o la amplitud
normalizada de las se
˜
nales de la onda de presi
´
on en funci
´
on
de la absorbancia. Teniendo en cuenta la ec. 8, se realiz
´
o un
ajuste lineal de los datos, que establece la relaci
´
on entre la
presi
´
on y la absorbancia (ver ec. 6) para cada referencia. En
la Fig. 15 se muestran las mediciones para los colorantes
de referencia y los colorantes luminiscentes, junto con sus
ajustes lineales.
A partir de la ec. 10 y las pendientes de las curvas de
calibraci
´
on fue posible hallar los valores de φ
f
correspon-
diente a los colorantes luminiscentes utilizados. Los valores
obtenidos se detallan en el cuadro comparativo de la Fig. 16.
Los mismos se encuentran dentro del rango obtenido por
otros autores: 0.87-0.96 para Rodamina 6G en etanol [16],
[17] y 0.49-0.65 para Rodamina B en etanol [17], [18].
V. CONCLUSI
´
ON
Se montaron y caracterizaron tres dise
˜
nos de sensores
FA. Para cada sensor se determin
´
o la sensibilidad, el nivel
de ruido y el l
´
ımite de cuantificaci
´
on. Se encontr
´
o que el
sensor II es el m
´
as sensible. Sin embargo, el nivel de ruido
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y la dificultad a la hora de alinear el sistema lo vuelven
poco adecuado. Para el caso de los sensores I y III, el
sistema FA es mucho m
´
as sencillo. La sensiblidad del sensor
I fue mayor que la del sensor III porque la pintura de plata
result
´
o mejor adhesivo que el epoxy. Sin embargo, se eligi
´
o
utilizar el sensor III para las mediciones de los colorantes
luminiscentes dado que posee un volumen reducido.
En la determinaci
´
on de φ
f
se utilizaron dos colorantes de
referencia distintos (Orange II y Fuchsin) con propiedades
similares, y dos colorantes luminiscentes (Rodamina B y
6G). Los valores encontrados de φ
f
para ambas referencias
concuerdan muy bien con los reportados por otros autores.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Universidad de Buenos Aires
y al CONICET por la financiaci
´
on de este trabajo a
trav
´
es de los subsidios UBACyT 20020120100025BA y
20020130100346BA, y PIP-112-201101-00676.
REFERENCIAS
[1] M. G. Gonz
´
alez, ”An
´
alisis y Desarrollo de Nuevas T
´
ecnicas de De-
tecci
´
on Optoac
´
usticas”, Tesis de Doctorado, Universidad de Buenos
Aires, 2008.
[2] C. Haisch, ”Photoacoustic spectroscopy for analytical measurements”,
Meas. Sci. Technol. vol. 23, p. 012001, 2012
[3] A. Rosencwaig, ”Photoacoustics and photacoustic sprectroscopy”,
John Wiley and Sons Inc., Nueva York, 1981.
[4] T. Schmid, U. Panne, R. Niessner, C. Haisch, ”Optical absorbance
measurements of opaque liquids by pulsed l
´
aser photoacoustic spec-
troscopy”, Anal. Chem. vol. 81, pp. 2403-2409, 2009.
[5] H.G. Arrigo, ”Optimizaci
´
on de sistemas de detecci
´
on de se
˜
nales
´
opticas para alta potencia y alta velocidad”, Tesis de grado de
Ingenier
´
ıa Electr
´
onica, Facultad de Ingenier
´
ıa de la Universidad de
Buenos Aires, 2011.
[6] M. Gonz
´
alez, A. Peuriot, V. Slezak, G. Santiago, ”Recovery of
noisy pyroelectric-detector signals through neural-network process-
ing”, Rev. Sci. Intrum. vol. 76, p. 053104, 2005
[7] L. F. Brown, ?Design considerations for piezoelectric polymer ultra-
sound transducers,? Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Con-
trol, IEEE Transactions on, vol. 47, no. 6, pp. 1377?1396, 2000.
[8] M. G. Gonz
´
alez, P. A. Sorichetti and G. Santiago, ”Modeling thin-
film piezoelectric polymer ultrasonic sensors”, Rev. Sci. Instrum. vol
85, no. 11, 2014, doi: 10.1063/1.4901966.
[9] M. Gonz
´
alez, P. Sorichetti, G. Santiago, ”Caracterizaci
´
on de sensores
planos de pol
´
ımero piezoel
´
ectrico para tomograf
´
ıa optoac
´
ustica”,
Argencon 2014 IEEE Conference Publications, pp. 281-285, 2014
[10] J.E.Selwyn, J.I.Steinfeld, ”Aggregation equilibria of xanthene dyes”,
J.Phys.Chem. vol. 76, pp. 762-774, 1972
[11] K.Igarashi, M.Maeda, T.Takao, Y.Oki, H. Kusama, ”Dominant Factors
of Preventing Rhodamine 6G from Dimer Formation in Aqueous
Solutions”, Bull Chem Soc Japan vol. 72, pp. 1197-1202, 1999
[12] J.N. Demas, G.A.Crosby, ”The Measurement of Photoluminescence
Quantum Yields”, Phys. Chem. vol. 75, pp. 991-1024, 1971
[13] B. Soffer, B. McFarland, ”Continously tunable, narrow-band organic
dye lasers”, Appl. Phys.Lett. vol. 10, pp. 266-267, 1967.
[14] B.Valeur, ”Molecular Fluorescence Principles and Applications”,
Wiley-VCH Verlag GmbH, 1ra edici
´
on, Weinheim, 2001.
[15] G. Saini, A. Sharma, S. Kaur, K. Bindra, V. Sathe, S. Tripathi,
C. Mhahajan, ”Rhodamine 6G interaction with solvents studied by
vibrational spectroscopy and density functional theory”, J. Mol.
Struct. vol. 931, pp. 10-19, 2009.
[16] L. Porr
`
es, A. Holland, L. Palsson, A. Monkman, C. Kemp, A. Beeby,
”Absolute measurements of photoluminiscence quantum yields of
solutions using an integrating sphere”, Journal of Fluorescence vol.
16, pp. 267-273, 2006.
[17] R. Kubin, A Fletcher, ”Fluorescence quantum yields of some rho-
damine dyes”, J. Luminescence, vol. 27, pp. 455-462, 1982.
[18] K. Casey, E. Quitevis, ”Effect of solvent polarity on nonradiative
processes in xanthene dyes: Rhodamine B in normal alcohols”, J.
Phys. Chem. vol. 92, pp. 6590-6594, 1988.
Revista elektron, Vol. 1, No. 1, pp. 8-15 (2017)
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15
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