Post on 02-Aug-2022
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y
TECNOLOGÍA AVANZADA UNIDAD LEGARIA
ESTUDIO DEL EFECTO DEL ULTRASONIDO EN PLANTAS DE
LIRIO ACUÁTICO MEDIANTE TÉCNICAS FOTOTÉRMICAS
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: DOCTOR EN TECNOLOGÍA AVANZADA
PRESENTA: M. EN T.A. PABLO ALEJANDRO CARDONA RICALDE
DIRECTOR: DR. JOSÉ ANTONIO CALDERÓN ARENAS
México D. F. Diciembre del 2009
Agradecimientos
Agradezco, en primer lugar, al Dr. José Antonio Calderón Arenas, por su paciencia y
sabiduría, por la excelente e inigualable dirección, así como su incondicional dedicación y
ayuda en la realización de este trabajo de tesis, además de su devota y leal amistad y
ecuánimes consejos.
A Ana Leticia Cardona Gómez, por su extraordinaria atención, colaboración y auxilio que
presentó, además de su apoyo desinteresado y generoso que me brindó, así como también
por sus acertados consejos, su cariño y su muy valiosa y preciada amistad.
Al grupo de trabajo que conforman el Programa de Tecnología Avanzada: Ing. Armando,
Ing. Pablo, Srita. Laura Vega y Andrés; por sus finísimas atenciones, ayuda, consejos y
asesoría, así como también por su generosa amistad.
Un sincero agradecimiento a los profesores del CICATA-IPN: Dr. José Antonio Díaz
Góngora, Dr. Miguel Ángel Aguilar Frutis, Dr. Eduardo San Martín, Dr. José Luís
Fernández Muñoz, Dr. José Luís Jiménez Pérez, Dr. Ernesto Marín Moares, Dr. Alberto
García Quiroz, M. en C. Abel Tinoco Dávila, Biol. Cesar Mejía Barradas; por aportar sus
incuestionables conocimientos, estar a disposición de resolver dudas y aclaraciones, y así
como sus oportunos comentarios, observaciones, correcciones y consejos durante el
desarrollo de la presente tesis.
A todos mis compañeros del postgrado, particularmente a los Maestros Ricardo
Abdelarrage, Alex Florido Cuellar, Hernán Javier Herrera, Ing. Gerardo Vera y al Profesor
Germán Coller, por su excelente camaradería, ayuda, apoyo y sobre todo, amistad.
A todo el personal administrativo y técnico que conforman la comunidad del CICATA-IPN
Legaria, de igual manera a todo el personal de intendencia y seguridad que aquí colaboran,
por sus amables servicios prestados a un servidor y a este centro de investigaciones.
Agradezco, tanto al CONACYT como al programa PIFI-IPN, por el apoyo económico que
por medio de sus becas fue otorgado durante el desarrollo del presente trabajo de tesis.
A toda la comunidad de la UAM-Iztapalapa, en particular al Departamento de
Hidrobiología y muy en especial al Hidrobiólogo Gabriel Villalobos (q.p.d.), así como a
toda la camaradería del agua, la vida, los números y las letras... ahh ssii.
Por último, de todo corazón y con toda el alma a mi familia y amigos, por ser parte
importante de este proyecto de vida, lo saben.
Dedicatoria
Con infinita predilección a los seres que facultaron en mi, la gracia de personificar mi esencia en esta vida, en este mundo; mis padres:
María de Jesús Ricalde Rodríguez – Gustavo Cardona Gómez
...a todos los que en esta vida han sido, son y serán la inherencia de
mis pensamientos racionales y acciones plausibles... y a todos aquellos, que en la sustantividad de sus sueños, añoraron la cima...
Contenido General
PÁGINA
RESUMEN
ABSTRACT
i
ii
CAPITULO 1
Introducción
1
CAPITULO 2
La Técnica Fotoacústica
6
2.1 Espectroscopia Fotoacústica 8 2.2 Monitoreo de la Taza Fotosintética con la Técnica Fotoacústica
11
CAPITULO 3
Fotosíntesis en Lirio Acuático
26
CAPITULO 4
Ultrasonido y Cavitación
38
CAPITULO 5
Diseño e Implementación de un Generador Ultrasónico en Aire
42
CAPITULO 6
Espectros de Absorción Óptico en Lirio Acuático: Efecto del Ultrasonido
50
CAPITULO 7
Monitoreo de la Taza Fotosintética en Lirio Acuático: Efecto del Ultrasonido
55
CAPITULO 8
Microestructura en Lirio Acuático: Efecto de Irradiaciones Ultrasónicas
59
CAPITULO 9
Conclusiones
68
BIBLIOGRAFÍA
70
Resumen
i
Resumen
El Lirio Acuático (Eichhornia Crassipes) es una planta invasora la cual representa
un serio problema en cuerpos de agua y sistemas hidrológicos de latitudes tropicales y
subtropicales de todo el mundo, los métodos que hasta hoy se han implementado para su
control no son del todo eficientes ni redituables. Nosotros reportamos la implementación de
una nueva tecnología con la cual pretendemos inhibir la actividad fotosintética de la planta
y por consiguiente detener su propagación.
Se presenta, por primera vez, la aplicación de la técnica fotoacústica para el
seguimiento de la evolución de la fotosíntesis en el Lirio Acuático (Eichhornia crassipes).
Esta planta invasora representan un problema muy serio en cuerpos de agua y sistemas
hidrológicos de las latitudes tropicales y subtropicales de todo el mundo, como una
herramienta para comprobar los daños causados en las plantas por las irradiaciones
ultrasónicas (17 kHz) que se les aplico, utilizamos la Técnica Fotoacústica para el
monitoreo de su actividad fotosintética (evolución de O2 fotosintético y almacenamiento de
energía), con irradiación simultánea, sin irradiación y después de suministrar irradiación.
Además, hemos aplicado Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) para observar los
daños en la estructura celular de las hojas de Lirio Acuático.
Abstract
ii
Abstract
The Water Hyacinth (Eichhornia Crassipes) is an invasive plant which is a serious
problem in water bodies and hydrological systems in tropical and subtropical regions
around the world, methods which until now have been implemented for its control are not
entirely efficient nor profitable. We report the implementation of a new technology with
which we intent to inhibit photosynthetic activity of the plant and therefore stop its spread.
We report, for the first time, the application of the Photoacoustic Technique for the
monitoring of the photosynthesis evolution in water hyacinth (Eichhornia crassipes). This
invader plant represent a serious problem in water bodies and hydrological systems of
tropical and subtropical latitudes from all world; as a tool to check the damage in the plants,
we use ultrasonic (17 KHz) irradiation and then monitoring their photosynthetic activity
(photosynthetic O2 evolution and energy storage), by means of Photoacoustic Technique,
with simultaneous irradiation, without irradiation and after irradiation. Also, we applied
Scanning Electron Microscopy (SEM) to observe the damage in the cell structure of water
hyacinth leaves.
Capítulo 1 Introducción
1
Introducción
Las técnicas fototérmicas.
El Efecto Fotoacústico (FA) es la base de la técnica que lleva su nombre y que
forma parte de un conjunto de técnicas experimentales que se conocen como fototérmicas.
En estas técnicas, la energía luminosa se hace incidir de forma periódica sobre el material
investigado (en estado sólido, líquido o gaseoso) siendo parte de ella absorbida y
parcialmente transformada en calor como resultado de procesos de desexcitación a escala
atómica y molecular, como se muestra esquemáticamente en la figura 1.1.
La temperatura del material varía entonces con la misma periodicidad que lo hace la
radiación incidente, induciendo cambios en los parámetros del material (y/o del medio en el
que se encuentra) dependientes de ella. La detección de estas variaciones es la base de los
diferentes esquemas experimentales.
Capítulo
1
Capítulo 1 Introducción
2
Figura. 1.1. Algunos efectos fototérmicos.
En la técnica FA (Fig. 1.2), la muestra a investigar es colocada en una celda cerrada
que contiene aire u otro gas. Como resultado de la absorción de radiación modulada, el
material se calienta, transmitiéndose el calor a una capa de gas adyacente a la superficie
iluminada de la muestra. Esta capa de gas se calienta entonces periódicamente,
expandiéndose y contrayéndose, y actuando como un pistón sobre el resto del gas contenido
en la celda. Se genera así una onda acústica o de presión que puede ser detectada con un
micrófono colocado también dentro de la celda.
Figura 1.2. Representación esquemática de una celda fotoacústica utilizada en la técnica basada en el efecto del mismo nombre.
Capítulo 1 Introducción
3
Las técnicas fototérmicas, pueden ser utilizadas para medir diferentes propiedades
de materiales o para estudiar diferentes procesos fisicoquímicos que tienen lugar en ellos.
Para comprender por qué esto es posible, basta observar que el proceso de generación de
una señal fototérmica consta de tres pasos fundamentales, que dependen a su vez de un
grupo particular de estas propiedades:
1- Absorción de la radiación luminosa: Este proceso depende de las propiedades
ópticas de la muestra, por ejemplo del llamado coeficiente de absorción óptico, que
determina cuánta energía luminosa puede ser absorbida para luz de determinado color.
2- Transformación de la energía luminosa en calor. Este mecanismo depende de
aquellos mediante los cuales los átomos y moléculas que componen el material investigado
realizan dicha transformación, y por lo tanto de las propiedades que los caracterizan. La
eficiencia de conversión, es decir, la razón o cociente entre la energía total absorbida y la
porción de ella transformada en calor, es una de estas propiedades.
3- Difusión del calor generado a través de la muestra, proceso que depende de
propiedades que caracterizan este proceso, como la conductividad térmica, k, la capacidad
calorífica, C=ñc, donde ñ es la densidad y c el calor específico, la difusividad térmica,
α=k/C, y la efusividad térmica, ε=(kC)1/2.
El Lirio Acuático (Eichhornia Crassipes)
Esta planta recibe el nombre vulgar de jacinto de agua o lirio acuático por su vistosa
inflorescencia de flores violeta que le asemejan hasta cierto punto a las flores del jacinto.
De nombre científico Eichornia Crassipes es una planta libre flotadora, una hidrophyta
emergente, perteneciente a la familia de las Pontederiáceas. Originaria de América del Sur
(Amazonas), la que por la belleza de su flor se ha diseminado a casi todas las áreas
tropicales y sub-tropicales del mundo. Su rápida reproducción, así como la ausencia de
enemigos naturales en los nuevos lugares de su introducción, además de su excelente
Capítulo 1 Introducción
4
capacidad de adaptación a casi cualquier cuerpo de agua, han provocado la rápida
diseminación de la planta, convirtiéndose así en una maleza.
Esto ha traído como consecuencia que actividades económicas importantes, como la
navegación en ríos y lagos, la pesca, reducción del área hidráulica, incremento en el
coeficiente de rugosidad (factor que interviene en la velocidad de escurrimiento en
conductos abiertos), desarrollo de poblaciones de mosquitos vectores de enfermedades y la
irrigación en la agricultura se han afectado sensiblemente en las áreas invadidas por la
maleza. Una extensa cobertura del jacinto o lirio acuático
provoca una evapotranspiración
tres-cuatro veces superior a la que normalmente ocurre en superficies de agua libre, lo que
genera también pérdida de agua, sobre todo en el período de sequía. No menos dañino es el
efecto que ocasiona la maleza cuando ésta llega a los generadores de las estaciones
hidroeléctricas, lo que provoca cortes eléctricos de determinada duración hasta que los
generadores son limpiados de tejidos de la planta.
El problema más serio es el de la adopción de medidas de control (ya sea físico o
mecánico, químico y biológico) que sean técnicamente efectivas, económicamente viables
y que resulten ambientalmente compatibles. Es por estas razones que surge la necesidad de
incorporar al estudio de estas medidas de control nuevas tecnologías, siendo en este caso, la
técnica fotoacústica, que por sus propiedades no invasivas, destructivas ni dejenerativas,
además de que se basen en muy sólidos principios y que la mayoría de sus esquemas
experimentales no sean en extremo complejos, sea idónea para aplicarla a esta
problemática.
El objetivo general de este trabajo de tesis es llevar a cabo la determinación de la
intensidad y frecuencias características de irradiación ultrasónica en lirio acuático
para inducir la cavitación en el medio acuoso de su estructura para inhibir su
actividad fotosintética.
Capítulo 1 Introducción
5
El presente trabajo de tesis se divide en 9 capítulos, cuyas temáticas a tratar son las
siguientes: El Capítulo 2 trata sobre la Técnica Fotoacústica, así como también la
Espectroscopía Fotoacústica y el monitoreo de la Taza Fotosintética con dicha técnica.
El Capítulo 3 presenta una revisión de la fotosíntesis en Lirio Acuático, así como los
mecanismos que intervienen en su proceso fotosintético.
En el Capítulo 4 se abarcan los puntos básicos para comprender e introducirnos en los
fenómenos de Ultrasonido y Cavitación.
El Capítulo 5 describe el diseño e implementación de un Generador Ultrasónico en Aire,
donde se realizó el esquema de medición, se acondicionaron y configuraron todos los
componentes del sistema, la automatización y configuración de este.
En el Capítulo 6 se muestran los Espectros de Absorción Ópticos en Lirio Acuático con los
efectos de las irradiaciones ultrasónicas.
El Capítulo 7 trata sobre la aplicación de los conocimientos, resultados y desarrollos
descritos en los capítulos anteriores para el monitoreo de la Taza Fotosintética en Lirio
Acuático con los posibles efectos del ultrasonido.
En el Capítulo 8 podemos observar la Microestructura en Lirio Acuático con los daños
causados por el efecto de las irradiaciones ultrasónicas, esto a través de Microscopía
Electrónica de Barrido, también analizaremos los principios de esta técnica y algunos de
sus componentes.
El Capítulo 9 presenta las conclusiones generales de la presente tesis.
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
6
La Técnica Fotoacústica
Dentro de los fenómenos físicos observados en la interacción radiación-materia,
encontramos aquellos en los cuales la energía absorbida es transformada, vía procesos de
desexcitación no radiativos en calor. Si colocamos un material dentro de una celda
herméticamente cerrada y hacemos incidir luz modulada sobre su superficie, toma lugar la
absorción de la radiación incidente y la generación en su interior una respuesta térmica, la
cual perturba el gas de sus alrededores produciendo una variación de la presión en le celda
y generando una señal acústica.
El efecto fotoacústico implica la generación de ondas acústicas u otros efectos
termoelásticos, por cualquier tipo de material sobre el cual incide un haz energético
modulado, como radiación electromagnética (desde las ondas de radio hasta los rayos X),
electrones, protones, ultrasonido, etc.
Se han reportado una diversidad de trabajos teóricos y experimentales, en los cuales
se demuestran no solo aplicaciones espectroscópicas, sino también otras aplicaciones en
campos de la ciencia como: física, química, biología, alimentos, ingeniería y medicina [1,
2, 3].
Durante más de un siglo las ondas térmicas han ocupado un amplio campo en la
Capítulo
2
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
7
investigación científica, tanto para la investigación básica como para la aplicada. En el año
de 1880, Alexander Graham Bell, descubrió que cuando un haz luminoso, periódicamente
interrumpido, se hace incidir sobre la superficie de un sólido colocado en el interior de un
recipiente herméticamente cerrado, se detecta una respuesta audible, mediante un tubo de
audición acoplado al recipiente, figura 2.1. Este fenómeno se denominó efecto fotoacústico
en materiales sólidos [4].
Figura 2.1. Representación esquemática del efecto fotoacústico por Bell en 1880.
En un principio Bell detecto las fluctuaciones de presión del gas mediante un tubo
auditivo; en la actualidad se utilizan micrófonos sensibles para realizar esta detección. En
sus inicios, este efecto se denominaba “opto-acústico”, sin embargo, para evitar
confusiones con el efecto acústico-óptico ya conocido en ese entonces, se adoptó el término
“fotoacústico” [5].
La primera descripción teórica del efecto fotoacústico en sólidos sobre la base de las
ondas térmicas fue dada en 1976 por Rosencwaig y Gersho [6]. Esta se basa en la
consideración de una delgada capa de aire que se expande y contrae periódicamente en la
interfase gas-sólido, por lo que actúa como un pistón vibratorio sobre la parte restante del
volumen del gas, el cual obedece un proceso adiabático. Subsecuentes modelos han tratado
refinamientos y extensiones de este modelo del pistón [7]. Rosencwaig también estableció
la Espectroscopia Fotoacústica (EFA) como una herramienta para estudios ópticos en
sólidos [8].
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
8
2.1 Espectroscopia Fotoacústica Uno de los medios más efectivos para estudiar no destructivamente las propiedades
de la materia es observar como los fotones interactúan con ella, esto es, por espectroscopia
óptica. Aquí, generalmente se hace incidir luz sobre el material y se analiza la parte
transmitida, o la parte reflejada, del haz de luz incidente. Sin embargo, muchos materiales
orgánicos e inorgánicos, como polvos, compuestos amorfos, aceites, etc. no pueden
estudiarse fácilmente de esta manera.
La espectroscopia fotoacústica (EFA) supera varios de estos obstáculos en la
investigación de materiales sólidos y semisólidos [9]. En esta técnica, la luz modulada
absorbida por una muestra es convertida en sonido, el cual es posteriormente detectado por
un micrófono. De esta forma, por ejemplo, al estudiar polvos, el problema de la luz
dispersada, la cual afecta la proporción de luz transmitida o reflejada, no ofrece problemas
en espectroscopia fotoacústica debido a que solo la luz absorbida se convierte en sonido.
En espectroscopia fotoacústica de sólidos, la muestra se coloca dentro de una celda
cerrada que contiene aire y un micrófono sensible. La señal acústica surge del flujo de calor
periódico desde el sólido al gas circundante, cuando el sólido es cíclicamente calentado por
la absorción de la luz modulada. Procesos de desexitación no-radiativa convierten parte de
la luz absorbida por el sólido en calor. El flujo periódico de calor hacia el gas de la celda
produce fluctuaciones de presión en esta, originando así un sonido; si este es detectado por
un micrófono, la señal analógica que resulta puede ser registrada como una función de la
longitud de onda de la radiación incidente. Ya que la magnitud de las fluctuaciones de
presión periódicas en la celda es proporcional a la cantidad de calor emanado del sólido
absorbedor, hay una correspondencia directa entre la intensidad de la señal acústica y la
cantidad de luz absorbida por el sólido.
La EFA muestra también un gran potencial para el estudio de procesos
fotosintéticos en plantas. La figura 2.2 muestra el espectro de una hoja de planta verde [10,
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
9
11] donde pueden verse las bandas de los cloroplastos. Las bandas correspondientes a la
clorofila aparecen alrededor de los 700nm y la de los carotenoides alrededor de los 500nm.
Esta medición fue realizada ex-situ, colocando una muestra de la hoja en el interior de la
celda FA.
Resulta interesante hacer este tipo de medición en una planta viva, para poder
estudiar la influencia de diferentes factores sobre este proceso fisiológico tan importante.
Ello es posible de efectuar en un sistema en el cual la hoja se sitúe en el exterior de la celda
FA.
Figura 2.2. Espectro FA de una hoja verde mostrando la absorción de la luz por los cloroplastos (según Rosencwaig [10, 11])
La primera aplicación de este tipo fue realizada por un grupo en la Universidad
Estatal de Campinas, en Brasil, bajo la orientación del Prof. H. Vargas, pionero en la
aplicación de técnicas fotoacústicas.
En el presente trabajo de tesis se aplicará EFA a las hojas de lirio acuático para
obtener los espectros de absorción ópticos previos a la irradiación ultrasónica y posteriores
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
10
a esta, para su posterior análisis y comparación y observar los posibles daños causados por
el efecto de la radiación ultrasónica.
2.1.a Montaje Experimental
En la figura 2.3 se muestra el montaje experimental de la EFA utilizado para
realizar estudios del espectro de absorción óptico.
El haz de luz emitido por una lámpara de Xenón se interrumpe periódicamente
mediante un modulador mecánico, de frecuencia fija. El haz de luz modulado que se
obtiene, se hace pasar a través de un monocromador. Después, la luz monocromática
obtenida se dirige, mediante una fibra óptica, hacia la ventana de la celda fotoacústica, en la
cual previamente se colocó la muestra a estudiar. Luego, la señal FA generada en la celda
se dirige hacia un amplificador look-in, y finalmente se registra, mediante un computador,
la amplitud y la fase de la señal en función de la longitud de onda de la radiación que incide
sobre la muestra [12].
Figura 2.3. Montaje experimental de la espectroscopia fotoacústica (EFA). (a) Lámpara de Xenón, (b) modulador mecánico, (c) monocromador, (d) fibra óptica, (e) celda fotoacústica, (f) lock-in y
(g) computador.
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
11
2.2 Implementación de la técnica Fotoacústica para el Monitoreo de la Taza Fotosintética
Desde los primeros trabajos de Rosencwaig en 1972, la técnica fotoacústica resuelta
en longitud de onda para realizar estudios ópticos en la materia ha tenido tal importancia y
desarrollo que aún hoy día siguen surgiendo aplicaciones y novedades de esta técnica. La
técnica fotoacústica resuelta en frecuencia para realizar, sobre todo, estudios de las
propiedades térmicas en líquidos y sólidos, así como propiedades de transporte de carga en
semiconductores, ha tenido un desarrollo posterior pero de gran intensidad, mayormente en
la década de los noventas y es un campo de rápido crecimiento de dichas técnicas. Por otra
parte, la técnica fotoacústica resuelta en tiempo para efectuar el estudio de la fotosíntesis en
plantas tuvo un inicio intenso a inicios de la década de los ochentas y ha mantenido un
crecimiento ininterrumpido hasta la fecha, tanto en aplicaciones como en mejoras de la
técnica.
En esta sección, se presenta la implementación de la técnica fotoacústica resuelta en
tiempo en el laboratorio de física aplicada de CICATA Unidad Legaria, la cual se utilizo
para realizar el estudio del monitoreo de la fotosíntesis en lirio acuático; cuyos resultados
se muestran en el capítulo siguiente.
2.2.a Esquema de Medición
En la figura 2.4 se muestra el montaje experimental de la TFA para medición de
fotosíntesis en plantas. El haz de luz blanca continua, proveniente de una lámpara de xenón,
pasa por un modulador mecánico (chopper), cuya señal se encuentra en referencia con el
amplificador lock-in; posteriormente, el haz modulado emergente se hace pasar por un
monocromador, el cual selecciona la longitud de onda a la que deseemos trabajar; así, la luz
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
12
modulada guía incide sobre la CFA donde previamente se ha colocado la muestra; por otro
lado, la luz continua incide directamente sobre la CFA; ambos haces de luz inciden
simultáneamente sobre la muestra vía una fibra óptica bifurcada; el monocromador se
encuentra en interfase con el computador; una vez obtenida la señal de la CFA, esta se
dirige hacia el amplificador lock-in, el cual filtra las señales que no se encuentren a la
frecuencia de referencia y amplifica la señal proveniente de la CFA; finalmente, la amplitud
y fase de la señal es registrada y almacenada en un computador en función del tiempo de
exposición.
Figura 2.4. Esquema de medición de la TFA para monitoreo de la tasa fotosintética.
chopper
señal de referencia
señal de la CFA
lámpara de xenon
Luz chopper
monocromador
+
C F A +
muestra
interface filtro IR
d e a g u a
amplificador lock-in computador gráfico
luz
continua
guía luz
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
13
2.2.b Componentes del Sistema
• Fuentes Luminosas. Como fuente de radiación a la entrada del monocromador se utilizó la fuente de Xenón que
se muestra en la figura. 2.5, la cual consiste de una lámpara de Xenón de 1000 W
alimentada de una fuente de poder, ambas de Oriel Instruments.
Figura 2.5. Fotografía de la lámpara de Xenón alimentada de su fuente de poder
Se utilizó una fuente de radiación de halógeno para generar la luz continua de fondo, que
consiste de una lámpara de halógeno de 1000 W alimentada de su fuente de poder, ambas
de Oriel Instrumens. La figura 2.5 es también representativa de la fuente de halógeno.
Además, se utilizó un láser de helio-neón de 35 mW de potencia a una longitud de onda de
633 nm como fuente de radiación monocromática, el cual se muestra en la figura 2.6.
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
14
Figura. 2.6. Fotografía de láser de He-Ne de 35 mW con fuente.
• Modulador mecánico. El modulador electromecánico o chopper es utilizado para modular la luz continua y se
controla por medio de una de las salidas de voltaje del lock-in, figura 2.7. Este modulador
consta de un disco rasurado con 6 aspas a través del cual se hace pasar la luz láser incidente
sobre la muestra. Al variar el voltaje de alimentación del modulador se cambia la
frecuencia de giro del disco ranurado y se pueden obtener diversos valores para la señal
producida en las muestras.
Figura 2.7. Fotografía del modulador mecánico mod. 340CD de Stanford Research Inc.
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
15
• Monocromador.
Un monocromador es un dispositivo para obtener radiación monocromática a partir de una
fuente policromática. Su función principal es proporcionar un haz de energía radiante con
una longitud de onda nominal y una anchura de banda dada. La salida espectral de
cualquier monocromador usado con una fuente de radiación continua, independientemente
de su distancia focal y anchura de rendijas, consiste de una gama de longitudes de onda con
un valor promedio de longitud que se presenta en el indicador del monocromador. La
función secundaria de un monocromador consiste en el ajuste del rendimiento de energía.
Los anchos de rendijas excesivamente pequeños provocan rendimientos de baja energía en
la señal del detector, afectando la sensibilidad analítica como resultado de la degradación
de la relación señal-ruido.
Un sistema monocromador consiste básicamente de lo siguiente:
- Rendija de entrada que proporciona una imagen óptica estrecha de la fuente de radiación.
- Lente colimador que hace paralela la radiación procedente de la rendija de entrada.
- Red de difracción o un prisma para dispersar la radiación incidente.
- Un segundo lente colimador para reformar las imágenes de la rendija de entrada sobre la
rendija de salida.
- Finalmente, una rendija de salida para aislar la banda espectral deseada, bloqueando toda
la radiación dispersada excepto la del intervalo deseado.
El funcionamiento de un monocromador comprende tres aspectos correlacionados: pureza
de la radiación de salida, resolución y poder de captación de luz. La pureza la determina
principalmente la cantidad de radiación dispersada mientras que la resolución depende de la
dispersión y perfección en la formación de la imagen. Se requiere un poder de dispersión
grande y un alto poder resolutivo en un monocromador, para medir con precisión las líneas
discretas en los espectros de emisión o absorción atómica y para obtener los espectros de
bandas angostas de absorción molecular.
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
16
Figura 2.8. Esquema Óptico del Monocromador Cornerstone 130 1/8.
El monocromador que se utilizó durante este trabajo (figura 2.9) fue uno tipo Cornerstone
130 de 1/8 m de la marca Oriel Instruments.
Figura 2.9. Fotografía del Monocromador Cornerstone 130 de 1/8 de m, de
Oriel Instruments.
• Amplificador lock-in. Los amplificadores lock-in son utilizados para detectar y medir señales muy pequeñas de
CA, muchas veces en el rango de nanovolts. Con este tipo de amplificadores se pueden
lograr mediciones muy precisas aun cuando la señal se encuentre en presencia de fuentes de
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
17
ruido externas de magnitudes aun mayores a la misma señal. Estos amplificadores usan una
técnica conocida como detección sensible a la fase, con la cual separan la componente de la
señal a una fase y frecuencia de referencia especificas. Las señales de ruido con frecuencias
que difieren de la frecuencia de referencia son rechazadas. Un amplificador Lock-in tiene la
capacidad, además, de generar señales de voltaje, por lo que en pocas palabras se le
considera un convertidor analógico-digital-analógico. Esta característica es utilizada en
nuestro sistema para controlar el modulador electromecánico a través de una de las cuatro
salidas de voltaje con las que se cuenta.
En este trabajo se utilizó un amplificador lock-in SR850 de la marca Stanford Research
Systems cuyo esquema se muestra en la figura 2.10.
Figura 2.10. Panel frontal del Amplificador SR 850
Esencialmente, un amplificador lock in es un filtro con un ancho de banda arbitrariamente
chico, que es sintonizado a la frecuencia de la señal. Este filtro rechazará la mayor parte del
ruido no deseado y permitirá la medición de la señal. Además del filtrado, un lock-in
provee una amplificación muy elevada.
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
18
• Tarjeta de adquisición de datos GPIB. Bus es un anglicismo que regularmente se utiliza como sinónimo de autobús, sin embargo,
en informática se interpreta como “transporte”.
Bus significa enlace o vía de interconexión común. Un bus es un sistema de interconexión
que permite la transferencia de información entre componentes del ordenador y con otros
dispositivos externos. A diferencia de una conexión punto-a-punto, un bus puede conectar
mediante lógica varios periféricos utilizando el mismo conjunto de conexiones. En el bus
todos los nodos reciben los datos aunque no se dirijan a todos los nodos, los nodos a los que
no van dirigidos simplemente lo ignoran.
El original bus de interfase de propósitos generales, denominado GPIB por sus siglas en
ingles General Purpose Interface Bus, tuvo su inicio en al final de los años 60 cuando
Hewlett-Packard desarrollo un bus estándar de datos digital de corto rango, llamado HP-IB
por sus siglas del inglés Hewlett Packard Instrument Bus, para conectar dispositivos de test
y medida que HP fabricaba (como multímetros, osciloscopios, etc.) con dispositivos que los
controlaban, como un ordenador. Con la introducción de controladores digitales y de
equipo de prueba programable, la necesidad se presentó para un interfaz estándar, de alta
velocidad de comunicación entre los instrumentos y controladores de varias firmas. En
1975, el Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IEEE) desarrolló la ANSI/IEEE
488-1975 estándar, una interfaz estándar digital para la instrumentación programable, que
contenía las especificaciones eléctricas, mecánicas, y funcionales de un sistema de
interconexión. La original IEEE 488-1975 fue revisada en 1978, sobre todo para la
clarificación editorial y la adiciones. Este bus ahora se utiliza por todo el mundo y es
conocido con tres nombres:
- General Purpose Interface Bus (GPIB)
- Hewlett-Packard Interface Bus (HP-IB)
- IEEE 488 Bus
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
19
Figura 2.11. Fotografía de la tarjeta de adquisición de datos GPIB del tipo insertable
de National Instruments.
En 1990, la especificación de IEEE 488.2 incluyó los Comandos Estándares para la
Instrumentación Programable (SCPI). SCPI define los comandos específicos que cada clase
del instrumento (que incluye generalmente los instrumentos de varias marcas) debe
obedecer. Así, SCPI garantiza compatibilidad y la flexibilidad de configuración completas
del sistema entre estos instrumentos. No requiere de un largo aprendizaje el diverso sistema
de comandos para cada instrumento en un sistema de SCPI-compliant, y es fácil sustituir un
instrumento de una marca por un instrumento de otra.
Ahora, las GPIB se encuentran en casi todos los instrumentos de más de $1000 usd. Los instrumentos del bajo costo utilizan los interfaces RS232. Mientras que el índice de transferencia había sido de 1 Mbyte, más que suficiente en los últimos 25 años, las computadoras de hoy y algunos instrumentos alcanzan el límite del sistema del bus. No obstante, para cerca de 98% de los usos, la velocidad no es una preocupación. El 2% restante pudieran beneficiarse de velocidades más altas de transferencia.
• Programa de control LabView.
LabVIEW es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los programas no
se escriben sino que se dibujan, que incluye funciones integradas para la realización de
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
20
adquisición de datos, control de instrumentos, análisis de mediciones y presentaciones de
datos. El lenguaje que usa se llama lenguaje G.
Este programa fue creado por National Instruments (1976) para funcionar sobre máquinas
MAC, salió al mercado por primera vez en 1986. Ahora está disponible para las
plataformas Windows, UNIX, MAC y Linux y va en la versión 8.0 (Dic. 2005).
Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea
de uno de sus principales usos: el control de instrumentos. El lema de LabVIEW es: "La
potencia está en el Software". Ésto no significa que la empresa haga únicamente software,
sino que busca combinar este software con todo tipo de hardware, tanto propio -tarjetas de
adquisición de datos, PAC, Visión, y otro Hardware- como de terceras empresas.
Un programa se divide en Panel Frontal y Diagrama de bloques. El Panel Frontal es el
interfaz con el usuario, en él se definen los controles e indicadores que se muestran en
pantalla. El Diagrama de Bloques es el programa propiamente dicho, donde se define su
funcionalidad, aquí se colocan iconos que realizan una determinada función y se
interconectan.
Es usado principalmente por ingenieros y científicos para tareas como:
• Adquisición de datos
• Control de instrumentos
• Automatización industrial o PAC (Controlador de Automatización Programable)
• Diseño de control: prototipaje rápido y hardware-en-el-bucle (HIL)
Su principal característica es la facilidad de uso, personas con pocos conocimientos en
programación pueden hacer programas relativamente complejos, imposibles para ellos de
hacer con lenguajes tradicionales. También es muy rápido hacer programas con LabVIEW
y cualquier programador, por experimentado que sea, puede beneficiarse de él. Para los
amantes de lo complejo, con LabVIEW pueden crearse programas de miles de VIs (páginas
de código) para aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenas de
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
21
miles de puntos de entradas/salidas, etc. Incluso existen buenas prácticas de programación
para optimizar el rendimiento y la calidad de la programación.
LapView presenta facilidades para el manejo de interfaces de comunicaciones: puerto serie,
puerto paralelo, GPIB, USB, etc., capacidad de interactuar con otras aplicaciones: ActiveX,
Matlab, Simulink...etc., herramientas para el procesado digital de señales, visualización y
manejo de gráficas con datos dinámicos, adquisición y tratamiento de imágenes, control de
movimiento, tiempo real estrictamente hablando, programación de FPGAs,
sincronización.
LabVIEW está altamente integrado con el hardware de medida, con lo que se puede
configurar y usar rápidamente cualquier dispositivo de medida que se tenga. LabVIEW
puede conectarse a miles de instrumentos de medida para construir sistemas de medida
completos, incluyendo desde cualquier tipo de instrumento autónomo hasta dispositivos de
adquisición de datos, controladores de movimiento y sistemas de adquisición de imagen.
Además LabVIEW trabaja con más de 1000 librerías de instrumentos de cientos de
fabricantes, y muchos fabricantes de dispositivos de medida incluyen también herramientas
de LabVIEW con sus productos.
• Celda Fotoacústica. Se llevó a cabo el diseño y fabricación de la celda FA adecuada para la realización de las
mediciones de fotosíntesis. En la figura 2.12 se muestra una fotografía de dicha celda
terminada. La principal diferencia radica en la amplitud de la base de la abertura donde se
coloca la hoja de la planta a medir, ya que en las celdas ordinarias dicha base tiene un área
muy pequeña que provoca una hermiticidad en la cámara FA poco confiable, lo cual
conduce a una disminución de la intensidad de la señal detectada y por consiguiente valores
altos de la razón ruido/señal.
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
22
Figura 2.12. Fotografías de la celda FA terminada
En la figura 2.13 se muestra un esquema de la celda FA, en la configuración de difusión. La
hoja se adhiere con grasa de vacío en la entrada de la cámara, de manera que una de las
caras de la muestra esta en contacto con el aire en la cámara y la otra descansa en un
portaobjetos que la mantiene rígida sobre la base como se ilustra. Si se hace pasar radiación
modulada a través de la ventana de cuarzo de manera que incida en la cara trasera de la
muestra, entonces, la energía luminosa absorbida por ésta genera una señal FA a la salida
del transductor acústico acoplado a la celda, la cual es la suma de dos contribuciones:
1.- La respuesta fototérmica, que resulta de la conversión total o parcial de la luz
(modulada) absorbida a calor modulado (ondas térmicas) la cual es luego transformada a
una señal acústica.
2.- La respuesta fotobárica, debida a la evolución de oxigeno fotosintético modulado,
generado por la excitación periódica del aparato fotosintético.
base
cámara FA electreto
interruptor
conector BNC
soporte
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
23
Figura 2.13. Esquema de la Celda Fotoacústca. (a) Celda FA, (b) ventana de cuarzo, (c) cámara FA, (d) detector, (e) hoja, (f) portaobjetos, (g) luz, (h)respuestas fototérmica y fotobárica .
• Automatización del Sistema.
Para llevar a cabo la automatización del sistema, fue necesario elaborar un programa a través de instrumentos virtuales para trabajos de investigación mediante la Técnica Fotoacústica y emplea el lenguaje de programación LabVIEW que usa íconos en lugar de líneas de texto para crear aplicaciones.
El sistema inicia detectando la correcta comunicación entre la tarjeta GPIB y el software
LabVIEW así como el encendido del sistema. Igualmente detecta la comunicación con el
amplificador lock-in configurando el sistema para recibir datos externos.
Se definen el intervalo de lectura (3seg.) y el rango de frecuencia (64hz); se realiza un ajuste matemático (intervalo de lectura x 1000) + 500 = 350 y rango de frecuencia x intervalo de lectura = 192. El primer módulo (inicitialize.vi) envía el intervalo de lectura a la función de ajuste donde se ingresarán los datos de lectura. El otro dato, rango de frecuencia, se envía al modulo de lectura de datos (read_trace.vi) esperando los resultados de la función de ajuste.
El módulo Trace scan.vi configura el tipo de datos a capturar así como el intervalo de
lectura y rango de frecuencia. El tipo de datos seleccionado identifica algún error o
advertencia (I32) y se determinan tres de cuatro datos posibles configurados de la siguiente
manera: Trace 1: 300, Trace 2: 400, Trace 3: 1200, Scan Mode: false.
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
24
Una vez configurado el modo de captura de datos, el módulo Config_input.vi determina el
canal por el cual el amp. Lock-in enviará los datos, en este caso será por el canal A.
El módulo Config.signal_conditioning.vi determina el valor de la sensitividad (20mV/nA),
la Cte. de tiempo (1 seg.) y la ganancia (off).
Hasta este momento la captura de datos del sistema no ha dado inicio, todo se ha
concentrado en la configuración del sistema.
Ya configurado el sistema el módulo de la función de ajuste determina el número de datos a
capturar combinando este con los datos obtenidos.
A partir de este momento el sistema manda instrucciones al chopper para que gire a la
frecuencia indicada y así cortar el haz de luz incidente en la muestra para calentarla de
manera intermitente.
Debido a la conversión de energía luminosa en calor dentro de la muestra y a la
subsecuente difusión de calor y conversión en fluctuaciones de la celda, el micrófono
detectará las variaciones de presión y la transformará en una señal eléctrica que es enviada
al amplificador lock-in y registrada en amplitud y fase. El amplificador lock-in enviará a través del Canal A los datos registrados por el micrófono
filtrando el ruido de la señal enviada.
El módulo se detiene automáticamente al concluir con los datos capturados. Mientras, a la
misma función de ajuste se le determina el número de aspas del chopper. Este dato se
combina con el intervalo de tiempo de captura de datos correspondiente. Dentro de este
módulo hay una subrutina Run_stop.vi (start/continue) que es la que da el tiempo de espera
para la captura de datos y es regida por el intervalo de tiempo definido.
Terminada la captura de un dato, se envía a las subrutinas Read_trace.vi junto al rango de
frecuencia el valor de la captura. Hay tres módulos read_trace.vi (Trace 1, Trace 2, Trace
3). Uno de estos tres módulos controla los datos que grafican la amplitud vs frecuencia;
Capítulo 2 La Técnica Fotoacústica
25
otro módulo grafica la fase vs frecuencia y el tercer módulo controla el almacenamiento de
datos en un archivo. Este proceso se realiza dato por dato.
Al concluir el proceso y no haberse detectado ningún error en el transcurso de la captura de
datos el módulo Close.vi cierra el sistema.
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
26
Fotosíntesis en Lirio Acuático
Este capítulo trata de la aplicación de los conocimientos, resultados y desarrollos
descritos tanto en el trabajo de tesis de maestría “Monitoreo de fotosíntesis en plantas
mediante la Técnica Fotoacústica: Aplicación al estudio del lirio acuático (Eichhornia
Crassipes)”, la cual es parteaguas para el desarrollo del presente trabajo de tesis, y las
secciones del capítulo anterior para la medición de la fotosíntesis en el lirio acuático
(conservado en el acuario-invernadero implementado en el laboratorio), mediante la técnica
fotoacústica resuelta en tiempo, también implementada en este trabajo [1]. En primera
instancia, se estudia la evolución de las contribuciones fototérmica y fotobárica a diferentes
frecuencias de modulación para incidencias en el haz y el envés de la hoja, después se
presenta un estudio de la evolución del oxigeno fotosintético y el almacenamiento de
energía. Finalmente, se presentan los resultados de la medición de los espectros de
absorción ópticos en las hojas de lirio acuático mediante la técnica de espectroscopia
fotoacústica.
Capítulo
3
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
27
3.1 Contribuciones Fototérmica y Fotobarica
La figuras 3.1 y 3.2 muestran las gráficas de la amplitud de la señal FA en función
del tiempo de exposición para el caso de una iluminación sobre el envés y sobre el haz,
respectivamente. En estas mediciones se utilizó únicamente la iluminación con el láser de
HeNe de 35mW, ópticamente atenuado al 70% y con un dispersor de haz para abrir el
diámetro del haz incidente a un valor de 8 mm. El haz de luz láser se modulo
periódicamente a una frecuencia de modulación fija, se corrieron 4 mediciones a las
frecuencias fijas de 50, 40, 30 y 20 hz, respectivamente, en cada caso. Para cada un de las
ocho mediciones se alternó la exposición a la luz láser, con una obstrucción de la
iluminación cada 3 minutos, como se muestra en los gráficos.
Del análisis de las gráficas deducimos lo siguiente:
• La amplitud de la señal FA crece cuando disminuye la frecuencia de modulación,
como consecuencia del incremento de la energía por pulso de radiación y el
consecuente incremento de las contribuciones fototérmica y fotobárica en la muestra.
• Se presenta in incremento mucho mayor de la amplitud de la señal FA al pasar de 30
a 20 hz que al pasar de 50 a 40 hz y de 40 a 30 hz, en ambas gráficas. Este
comportamiento indica que a 50, 30 y 20 hz la señal FA está formada por la
superposición de las contribuciones fototérmica y fotobárica, sin embargo, a la
frecuencia de 20 hz la cantidad de energía por pulso se ha incrementado de tal manera
que se presenta una saturación de los centros de reacción y una consecuente
inhibición de la componente fotobárica de la señal FA, luego toda la energía luminosa
absorbida se canaliza a la contribución fototérmica alcanzando su máximo la señal
FA.
• La amplitud de la señal FA para la incidencia sobre el haz es un 75% mayor que la
amplitud de la señal FA para la incidencia sobre el envés. Esto debido a la presencia
de una mayor concentración de cloroplastos del lado del haz que del lado del envés, y
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
28
por consiguiente a una mayor contribución de las componentes fototérmica y
fotobárica para la iluminación por el haz que por el envés.
Corte transversal de la hoja.
Incidencia del haz de luz
Figura 3.1. Intensidad vs Tiempo. Incidiendo el haz de luz en la parte inferior de la hoja con una frecuencia constante
20 hz
30 hz
40 hz
50 hz
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
29
Incidencia del haz de luz
Corte transversal de la hoja.
Fig. 3.2. Intensidad vs Tiempo. Incidiendo el haz de luz en la parte superior de la hoja con una frecuencia constante
20 hz
30 hz
40 hz
50 hz
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
30
3.2 Medición de la Evolución de O
2
En este caso utilizamos una lámpara de fondo continua de luz blanca suministrada
por la lámpara de halógeno (30 mW/cm2) y la iluminación suministrada por el láser de
HeNe de 35mW, ópticamente atenuado al 70% y con un dispersor de haz para abrir el
diámetro del haz incidente a un valor de 8 mm (12.2 mW/cm2
). El haz de luz láser se
modulo periódicamente a una frecuencia de modulación fija.
En las figuras 3.3 y 3.4 se muestran los gráficos de la amplitud y fase de la señal
FA en función del tiempo de exposición. Se utilizó la incidencia por el lado del haz de la
hoja a una frecuencia de modulación de fija sobre el haz del láser de HeNe y alternando la
exposición y bloqueo de la luz de fondo continúa cada 50 seg.
Para llevar a cabo el monitoreo de la evolución de O2
se mide el llamado “efecto
negativo” de la señal FA. Para esto fue necesario determinar la frecuencia de modulación
con la cual se presenta dicho efecto en este caso. Después de correr una serie de muestras a
diferentes frecuencias de modulación, encontramos dicho efecto a la frecuencia de 100 hz.
Considerando el valor de 1.2 x 10-3 cm2
fπαµ /=
/s, para la difusividad térmica en la hoja [Y.
S. Touloukuian, 1973], podemos determinar la longitud de difusión térmica para f = 100 hz,
esto es:
= 19.5 µm
Por tanto, la onda térmica se amortigua casi completamente a una profundidad de:
== 3/23/ πµλ 40.8 µm
La hoja tiene un espesor aproximado de 100 µm. Iniciando desde la superficie del
haz hacia el interior encontramos al parénquima en empalizada, con un espesor aproximado
de 30 µm, seguido del haz vascular con un espesor aproximado de 40 µm, y finalmente el
parénquima esponjoso, de un espesor aproximado de 30 µm, [x].
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
31
0 30 60 90 120 150 180 210
0.2460.2480.2500.2520.2540.2560.2580.2600.2620.2640.2660.2680.2700.2720.274
offon
Fotosíntesis (Efecto Negativo)
In
tens
idad
(mV)
Tiempo (s)
f = 100 hz
Figura 3.3. Efecto Negativo Fotosintético. Fuentes de iluminación: Láser He-Ne 633nm y Lámpara
de halógeno a 300 w.
0 30 60 90 120 150 180 210
112000
114000
116000
118000
120000
122000
124000Fotosíntesis (Efecto Negativo)
Fase
(grad
)
Tiempo (s)
f = 100 hz
Figura 3.4. Efecto Negativo Fotosintético. Fuentes de iluminación: Láser He-Ne 633nm y Lámpara
de Halógeno a 300 w.
off on on off
on off on off
Corte transversal de la hoja.
Incidencia del haz de luz
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
32
De esta manera, las ondas térmicas generadas en el haz por efecto de la incidencia
del haz de luz modulado tienen una penetración que cubre la totalidad del parénquima en
empalizada y parte importante del haz vascular.
Por lo anterior, de la figura 3.3 deducimos lo siguiente:
Durante los primeros 50 seg la lámpara está encendida, “on”. No se presenta el efecto
fotobárico por la saturación de los centros de reacción producida por la luz blanca
continua y la señal FA es debida únicamente al efecto fototérmico.
En este caso, la totalidad de la luz láser modulada absorbida por la hoja es
transformada íntegramente en calor, una parte del cual se transmite hacia el haz
vascular y el resto se difunde hacia la cámara FA.
En los siguientes 50 seg se suprime la luz continua de la lámpara, “off”. Aparece la
contribución fotobarica que se suma a la contribución fototérmica, y la señal FA se
incrementa como se muestra en la gráfica. La evolución de oxigeno fotosintético se
hace presente.
En este caso, la luz láser modulada absorbida por la hoja es en primer lugar utilizada
en el proceso fotosintético que da lugar como uno de sus productos a la emisión de O2
En los siguientes 50 seg se enciende la lámpara y continúa el proceso.
,
y el resto de la energía absorbida se canaliza en la generación de calor que da lugar a
la contribución fototérmica.
3.3 Medición del almacenamiento de energía
Se utilizaron las mismas condiciones que en el caso 3.3 anterior (medición de la
evolución de O2)
, excepto en la frecuencia de modulación, cuyo valor ahora fue de 200 hz.
En las figuras 3.5 y 3.6 se muestran los gráficos de la amplitud y fase de la señal
FA en función del tiempo de exposición. Se utilizó la incidencia por el lado del haz de la
hoja a una frecuencia de modulación de fija sobre el haz del láser de HeNe y alternando la
exposición y bloqueo de la luz de fondo continúa cada 50 seg.
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
33
0 30 60 90 120 150 180 210
0.086
0.088
0.090
0.092
0.094
0.096
0.098
0.100
0.102
0.104
Fotosíntesis (Efecto Positivo)
offon
In
tens
idad
(mV)
Tiempo (s)
f = 200 hz
Figura 3.5 Efecto Positivo Fotosintético. Fuentes de iluminación: Láser He-Ne 633nm y Lámpara
de Xenón a 300 w.
0 30 60 90 120 150 180 210110000
112000
114000
116000
118000
120000Fotosíntesis (Efecto Positivo)
Fase
(grad
)
Tiempo (s)
f = 200 hz
Figura 3.6. Efecto Positivo Fotosintético. Fuentes de iluminación: Láser He-Ne 633nm y Lámpara
de Xenón a 300 w.
on off on off
on off on off
Corte transversal de la hoja.
Incidencia del haz de luz
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
34
Se llevó a cabo el monitoreo del almacenamiento de energía, donde ahora fue
necesario encontrar el “efecto positivo” de la señal FA, para lo cual fue necesario encontrar
la frecuencia de modulación a la cual ocurre dicho efecto. Después de correr una serie de
muestras a diferentes frecuencias de modulación, encontramos el mencionado efecto a la
frecuencia de 200 hz.
Considerando el valor de 1.2 x 10-3 cm2
fπαµ /=
/s, para la difusividad térmica en la hoja [Y.
S. Touloukuian, 1973], podemos determinar la longitud de difusión térmica para f = 200 hz,
esto es:
= 13.8 µm
Por tanto, la onda térmica se amortigua casi completamente a una profundidad de:
== 3/23/ πµλ 28.9 µm
De esta manera, las ondas térmicas generadas en el haz por efecto de la incidencia
del haz de luz modulado tienen una penetración solo en el parénquima en empalizada.
Por lo anterior, de la figura 3.5 deducimos lo siguiente:
Durante los primeros 50 seg. la lámpara está encendida, “on”. No se presenta el efecto
fotobárico por la saturación de los centros de reacción producida por la luz blanca
continua y la señal FA es debida únicamente al efecto fototérmico.
En este caso, la totalidad de la luz láser modulada absorbida por la hoja es
transformada íntegramente en calor, una parte del cual se transmite hacia el
parénquima en empalizada y el resto se difunde hacia la cámara FA.
En los siguientes 50 seg. se suprime la luz continua de la lámpara, “off”. La luz láser
modulada absorbida por la hoja es en primer lugar utilizada en el proceso fotosintético
y el resto de la energía absorbida se canaliza en la generación de calor.
En este caso, la intensidad de la señal FA decrece ya que la hoja utiliza la mayor parte
de la energía luminosa modulada incidente en desarrollar el proceso fotosintético, uno
de cuyos productos es la generación de O2, y la parte sobrante es transformada en
calor, sin embargo, la contribución fotobárica a la señal FA es pequeña comparada con
la contribución fototérmica.
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
35
En los siguientes 50 seg. se enciende la lámpara y continúa el proceso.
3.4 Espectro de absorción del Lirio Acuático
Se aplicó la Espectroscopia Fotoacústica (EFA) a las hojas de las plantas de lirio
acuático que se tenían en el acuario-invernadero, esto para poder observar el espectro de
absorción de dicha planta; las hojas fueron seleccionadas al azar, siempre y cuando
estuvieran en condiciones óptimas para realizar las medidas, es decir, que no presentaran
necrosis parcial o total, que no estuvieran mutiladas, que no presentaran descoloramiento y
que no estuvieran quemadas.
Para poder aplicar EFA, se tuvo primero que calibrar la lámpara con un cuerpo
totalmente oscuro, en este caso se utilizó grafito puro, donde encontramos que la mejor
mejor señal la obteníamos a una modulación de 50 hz. Posteriormente las curvas obtenidas
de las muestras eran calibradas con las obtenidas de la calibración previa.
En las figuras 3.8 y 3.9 se muestran tanto las gráficas de los espectros de absorción
de la planta, así como los de la calibración de la lámpara de halógeno. Comparando con la
figura 3.7, observamos que en el espectro de absorción de las hojas del lirio acuático, figura
3.8, aparecen las bandas de absorción en la región de la luz visible, correspondientes a las
clorofilas “a” y “b”.
En esta figura 3.8 se hace notar que a la longitud de onda de 633 nm,
correspondiente a la emisión del láser de HeNe, las hojas de lirio acuático presentan una
importante absorción óptica, motivo por el cual se eligió esta fuente luminosa en las
mediciones de actividad fotosintética.
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
36
Fig. 3.7. Espectro de absorción de las clorofilas a y b y de los pigmentos accesorios fotosintéticos
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13000.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
633 nm
* Iluminando en el haz de la hoja
Espectro de absorcíon de Eichhornia Crassipes
Ampli
tud FA
(mV)
Longuitud de Onda (nm)
f = 50 hz
Figura 3.8 Espectro de Absorción de Lirio Acuático. Fuente de iluminación: Lámpara de halógeno a 600 w.
Capítulo 3 Fotosíntesis en lirio acuático
37
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001E-3
0.01
0.1
Calibración de la lampara con grafito puro
Int
ensid
ad
longuitud de onda (nm)
17 hz 117 hz 50 hz
Figura 3.9. Calibración de la Lámpara de halógeno.
A continuación se mencionan algunos de los resultados más importantes obtenidos
en este capítulo:
• Se logró encontrar el efecto negativo de la fotosíntesis (evolución del O2), donde la
frecuencia que nos permitió observar este fenómeno fue de 100 hz.
• Se logró encontrar el efecto positivo (almacenamiento de energía), donde, ahora, la
frecuencia que nos permitió observar este fenómeno fue de 200 hz.
• Se aplicó espectroscopia fotoacústica (EFA) para obtener los espectros de absorción
del Lirio Acuático, donde la frecuencia de modulación utilizada fue de 50 Hz.
Capítulo 4 Ultrasonido y Cavitación
38
Ultrasonido y Cavitación
Ultrasonido
El sonido audible es una onda acústica cuya frecuencia ocurre en el rango de los 20
Hz a los 20 kHz, el ultrasonido es aquel cuya frecuencia está por encima del límite
perceptible por el oído humano (aproximadamente de los 20 kHz en adelante). Algunos
animales como los delfines y los murciélagos lo utilizan de forma parecida al radar en su
orientación. A este fenómeno se lo conoce como ecolocalización. Se trata de que las ondas
emitidas por estos animales son tan altas que “rebotan” fácilmente en todos los objetos
alrededor de ellos, esto hace que creen una “imagen” y se orienten en donde se encuentran.
También existe el denominado ultrasonido potente que es aquel cuya frecuencia está en el
rango de los 20 kHz a los 100 kHz, produciendo ondas de muy alta energía y es utilizado en
la industria para una gran variedad de propósitos como la limpieza de superficies, soldadura
en metales, ruptura de paredes celulares en estudios de bioquímica, etc.
El ultrasonido potente produce su efecto vía burbujas de cavitación. Cuando el
ultrasonido potente es aplicado a un líquido con suficiente intensidad (>75 mW/cm2), el
Capítulo
4
Capítulo 4 Ultrasonido y Cavitación
39
líquido sufre una compresión y una expansión alternada formando burbujas que pueden
contener vapor proveniente de los componentes más volátiles del líquido o gases disueltos
en el líquido. Estas burbujas tienen un tiempo de vida muy corto y, cuando ellas colapsan,
aparecen los llamados “puntos calientes” de muy alta temperatura y presión.
Cavitación
La cavitación es la formación de bolsas y burbujas de vapor en un medio líquido
inicialmente homogéneo. Se puede definir mecánicamente como la ruptura del medio de
líquido continuo bajo el efecto de tensiones excesivas. Con este último término se
sobreentiende la noción de umbral a partir del cual no se puede asegurar la cohesión del
líquido. Veremos que este concepto de umbral está determinado por la presión que reina en
el seno de este líquido. La cavitación puede producirse en el caso de un líquido en reposo o
en la circulación del líquido. Un ejemplo simple en el ámbito médico, que todos podemos
observar, es el llenado de una jeringa por aspiración; si la aspiración es demasiado intensa,
vemos aparecer una burbuja de gas en la jeringa.
El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que ocurre
durante la ebullición. La mayor diferencia entre ambos consiste en cómo se efectúa el
cambio de fase. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión
ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es
causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor.
Para que la cavitación se produzca, las "burbujas" necesitan una superficie donde
nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito, impurezas del
líquido o cualquier otra irregularidad. El factor determinante en la cavitación es la
temperatura del líquido. Al variar la temperatura del líquido varía también la presión de
vapor de forma importante, haciendo más fácil o difícil que para una presión local ambiente
dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque cavitación.
Capítulo 4 Ultrasonido y Cavitación
40
Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su
presión de vapor, él liquido hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbujas son
transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor
regresa al estado líquido de manera súbita, implotando bruscamente las burbujas. Esta
fenómeno se llama cavitación. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto
con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al
aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto,
ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va
acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que
golpea con diferentes partes de la máquina.
Según se ha dicho, cuando, la corriente de un punto de una estructura o de una
máquina alcanza una presión inferior a la presión de saturación de vapor, el líquido se
evapora y se originan en el interior del líquido “cavidades” de vapor, de ahí el nombre de
cavitación. En el interior del fluido existen zonas en que reina un gradiente fuerte de
presiones que aceleran las burbujas y producen un impacto en el contorno.
El fenómeno de la cavitación se explica con el mecanismo siguiente: si la presión en
un líquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente.
Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un pistón en contacto con el agua. Si
se mueve el pistón en dirección fuera del agua, se reduce la presión y el agua se evapora
formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el pistón hacia el agua la presión aumenta, el
vapor se condensa y la burbuja se destruye (colapso de la burbuja). Cuando se repite este
proceso con alta velocidad como por ejemplo, en el interior de una bomba de agua, se
forman y se destruyen las burbujas rápidamente. Se demostró con cálculos que una burbuja
en colapso rápido produce ondas de choque con presiones hasta de 410 MPa. Estas fuerzas
ya son capaces de deformar varios metales hasta la zona plástica, lo que está comprobado
por la presencia de bandas de deslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto
a cavitación.
Capítulo 4 Ultrasonido y Cavitación
41
Figura 4.1. Gráfico evolutivo una burbuja de cavitación.
Las hojas de plantas acuáticas han proveído sistemas particularmente útiles para
estudiar los efectos de las burbujas atrapadas en el interior de sus estructuras:
• Harvey y Loomis (1928) observaron desorden y rupturas de estructuras celulares en
la planta acuática Egeria Densa sometida a una irradiación sónica de 4 kHz. Ellos
consideraron su efecto a mecanismos no térmicos ya que la temperatura de la hoja
nunca excedió de 30 o
C durante la sonificación.
• Goldman y Lepeschkin (1952) observaron la rotación de cloroplastos y piezas de
protoplasma, así como el inflado del núcleo a bajas amplitudes, y la desintegración
a altas amplitudes en irradiaciones ultrasónicas de 85 kHz en Egeria Densa.
• Miller (1979) reportó el rango de frecuencias (450 kHz – 10 MHz) para la muerte
celular en Egeria Densa, para irradiaciones ultrasónicas continuas por 100 segundos
e intensidades de 75 mW/cm2 a 180 mW/cm2
.
No se tienen resultados recientes en plantas acuáticas.
Capítulo 5 Diseño e implementación de un generador ultrasónico en aire
42
Diseño e implementación de un generador ultrasónico en aire
En el presente capítulo se muestra la implementación de de un dispositivo
automatizado generador de ultrasonido así como su montaje en el Laboratorio de Física
Aplicada del Cicata, Unidad Legaria. Dicho prototipo fue creado con el objetivo de generar
ultrasonido a frecuencia y potencia sintonizables, para así poder determinar la intensidad y
frecuencias características de irradiación ultrasónica en lirio acuático para inducir la
cavitación en el medio acuoso de su estructura para inhibir su actividad fotosintética. Para
ello, realizaremos una serie de corridas variando tanto la intensidad como la frecuencia en
relación al tiempo de exposición.
El monitoreo de la actividad fotosintética del lirio acuático requiere de la
preservación de dicha planta en el laboratorio bajo condiciones controladas que permitan su
supervivencia y que nos permitan disponer de muestras a todo momento de realizar las
mediciones. Por otra parte, para las irradiaciones ultrasónicas, este tipo de control nos dará
la seguridad que el grado de afectación que pudieran sufrir las plantas será consecuencia de
las irradiaciones y no de un factor de diferente naturaleza, como cambios bruscos en la
temperatura, depredadores, falta de nutrientes en el agua, etc. Es por ello que también se ha
Capítulo
5
Capítulo 5 Diseño e implementación de un generador ultrasónico en aire
43
llevado a cabo la implementación de un acuario-invernadero de control, el cual se encuentra
bajo las mismas condiciones que el acuario-invernadero de irradiación (con el cual
veníamos trabajando [1]), para así monitorear los cambios, daños o el proceso evolutivo
tanto de las plantas irradiadas como las del grupo control, además de poder comparar las
plantas irradiadas vs las que no lo han sido.
5.1 Desarrollo Experimental
A un computador se le ha cargado previamente un Software que permite a un
usuario final controlar la frecuencia y potencia de la señal acústica.
La programación del software es capaz de enviar comandos mediante el uso de un
puerto serial del ordenador. Estos comandos son traducidos a lenguaje binario y recibidos
por el control electrónico de hardware, el cual consta de un microcontrolador, que se
encarga de interpretar y ejecutar los comandos enviados desde el ordenador.
El microcontrolador tiene 4 puertos de 8 bits cada uno, pero sólo dos de ellos fueron
programados como los productos de salida y uno como entrada. Con el uso del puerto de
entrada, el microcontrolador recibe los comandos de la computadora y por medio de uno de
los puertos de salida, controla la modulación de frecuencia y el otro se utiliza para controlar
la potencia del amplificador de audio.
El amplificador de audio se encarga del suministro de la corriente y tensión
necesarias para evitar una atenuación de la señal acústica causada por los transductores,
ofrece un máximo de potencia de 3200 Watts.
Se utilizan 4 transductores que entregan una máxima potencia de 60 volts por cada
uno de ellos. Por último, una fuente de alimentación para abastecer 5 volts de corriente para
el control electrónico de hardware y 12 volts de corriente al amplificador de audio.
Capítulo 5 Diseño e implementación de un generador ultrasónico en aire
44
5.2 Montaje Experimental
Figura 5.1. Esquema del montaje del Dispositivo Automatizado Generador de Ultrasonido.
Interfaz de Acoplamiento
RS-232
Control de Frecuencia y Amplitud
Amplificador y Filtro de Audio
Transductores Ultrasónicos
Lirio Acuático
Niveles RS-232 Niveles TTL’s
Micro-controlador
Capítulo 5 Diseño e implementación de un generador ultrasónico en aire
45
Figura 5.2. Fotografía del Dispositivo Automatizado Generador de Ultrasonido aplicado al acuario-invernadero del grupo de irradiación.
El sistema ultrasónico esta conformado por dos etapas principales: un Hardware y
un Software. El objetivo principal del sistema es generar y controlar un rango de
frecuencias que permitan irradiar ondas de sonido aplicado a un elemento biológico, como
lo es en este caso el lirio acuático.
Funcionamiento del Hardware.
El Hardware consta de elementos digitales y analógicos de potencia que permiten
controlar la frecuencia, amplitud y forma de la señal de sonido que se va a irradiar.
La Comunicación de la computadora con el hardware se lleva a cabo mediante un
medio físico conocido como puerto serial ó también se le conoce como el protocolo Rs-
232. Este medio nos permite enviar trama de datos binarios en diferentes paquetes ó
longitudes, además de que nos permite variar las velocidades de transmisión y recepción de
datos según sea el caso.
Capítulo 5 Diseño e implementación de un generador ultrasónico en aire
46
Un microcontrolador se encarga de interpretar y ejecutar los comandos del software
que son enviados por el usuario con el objetivo de producir señales digitales que son
enviadas a un modulo de control de frecuencia y Amplitud.
El módulo de Frecuencia y Amplitud se encarga de ajustar los datos binarios
enviados por el microcontrolador y a su vez se encarga de optimizarlos para su transmisión
a los transductores.
Los Transductores se encargan de traducir las variaciones eléctricas del voltaje
(proveniente del modulo de Frecuencia y Amplitud) en oscilaciones de tipo mecánico que
producen que el cono de las bocinas se contraigan y se expandan produciendo así un sonido
equivalente en la frecuencia indicada por el usuario.
La etapa de potencia esta compuesta por elementos como amplificadores
operacionales, transistores, resistores, etc.… que nos permiten filtrar ruido de la señal
proveniente de nuestra etapa digital, además de poder darle una mayor ganancia a nuestra
señal.
Funcionamiento del Software.
El software fue desarrollado en un ambiente de programación gráfico – virtual, en este caso
se utilizó el programa “LabView”. Las funciones principales del software que el usuario
puede manipular son:
a) Selección de Frecuencia mediante dos botones de acción “mas” y “menos”.
b) Selección del nivel de Potencia de la señal acústica.
c) Panel Visual de tipo “Gaussiano” para visualizar el nivel de Frecuencia Actual.
d) Panel Visual de tipo “Gaussiano” para visualizar el nivel de Potencia Actual.
Capítulo 5 Diseño e implementación de un generador ultrasónico en aire
47
Figura 5.3. Esquema del acuario-invernadero del grupo control.
Figura 5.4. Fotografía del acuario-invernadero del grupo control.
Filtro de Agua con Carbón Activado Lámpara
Fluorescente
Temporizador
Toma de Corriente
Calentador
Acuario - Invernadero Termómetro -Higrómetro
Ventana y Ventilador
Capítulo 5 Diseño e implementación de un generador ultrasónico en aire
48
En la figura 5.2 observamos el dispositivo automatizado generador de ultrasonido,
el cual puede ser desplazado para el momento de irradiar tanto en el acuario-invernadero así
como también al momento de monitorear la actividad fotosintética por medio de la Técnica
Foto Acústica.
En la figura 5.3 se muestra el esquema del acuario-invernadero de control, el cual se
encuentra bajo las mismas condiciones que el acuario-invernadero del grupo de irradiación,
para así tener un patrón de referencia de las muestras que han sido irradiadas vs las no
irradiadas.
Capítulo 5 Diseño e implementación de un generador ultrasónico en aire
49
Bibliografía
1 Pablo Alejandro Cardona Ricalde, Tesis De Maestría: “Monitoreo de fotosíntesis en plantas mediante la Técnica Fotoacústica: Aplicación al estudio del lirio acuático (Eichhornia Crassipes)”, México, (2005).
Capítulo 6 Espectro de Absorción Óptico en Lirio Acuático: Efecto del US
50
Espectro de Absorción Óptico en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
Se aplicó la Espectroscopia Fotoacústica (EFA) a las hojas de las plantas de lirio
acuático que se tenían en el acuario-invernadero, esto para poder observar el espectro de
absorción de dicha planta; las hojas fueron seleccionadas al azar, siempre y cuando
estuvieran en condiciones óptimas para realizar las medidas, es decir, que no presentaran
necrosis parcial o total, que no estuvieran mutiladas, que no presentaran descoloramiento y
que no estuvieran quemadas.
Para poder aplicar EFA, se tuvo primero que calibrar la lámpara con un cuerpo
totalmente oscuro, en este caso se utilizó grafito puro, donde encontramos que la mejor
mejor señal la obteníamos a una modulación de 50 hz. Posteriormente las curvas obtenidas
de las muestras eran calibradas con las obtenidas de la calibración previa.
En las figuras 6.2 y 6.3 se muestran tanto las gráficas de los espectros de absorción
de la planta, así como los de la calibración de la lámpara de halógeno. Comparando con la
figura 6.1, observamos que en el espectro de absorción de las hojas del lirio acuático, figura
Capítulo
6
Capítulo 6 Espectro de Absorción Óptico en Lirio Acuático: Efecto del US
51
6.2, aparecen las bandas de absorción en la región de la luz visible, correspondientes a las
clorofilas “a” y “b”.
En esta figura 6.2 se hace notar que a la longitud de onda de 633 nm,
correspondiente a la emisión del láser de HeNe, las hojas de lirio acuático presentan una
importante absorción óptica, motivo por el cual se eligió esta fuente luminosa en las
mediciones de actividad fotosintética.
Fig. 6.1. Espectro de absorción de las clorofilas a y b y de los pigmentos accesorios fotosintéticos
Capítulo 6 Espectro de Absorción Óptico en Lirio Acuático: Efecto del US
52
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13000.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
633 nm
* Iluminando en el haz de la hoja
Espectro de absorcíon de Eichhornia Crassipes
Ampli
tud FA
(mV)
Longuitud de Onda (nm)
f = 50 hz
Figura 6.2. Espectro de Absorción de Lirio Acuático. Fuente de iluminación: Lámpara de halógeno a 600 w.
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001E-3
0.01
0.1
Calibración de la lampara con grafito puro
Inten
sidad
longuitud de onda (nm)
17 hz 117 hz 50 hz
Figura 6.3. Calibración de la Lámpara de halógeno.
Capítulo 6 Espectro de Absorción Óptico en Lirio Acuático: Efecto del US
53
6.1 Espectro de Absorción Óptico posterior a la irradiación
En la Gráfica 6.4 observamos el Espectro de Absorción Óptico de un par de hojas
de Lirio Acuático; la planta sin irradiar (color verde) presenta un espectro “característico”
de absorción de las hojas verdes superiores, solo que mostrando la peculiaridad de que la
clorofila “b” absorbe en mayor proporción que la clorofila “a” (450 nm y 670 nm
respectivamente), caso tal vez característico del lirio acuático, ya que la mayor parte de las
plantas verdes superiores, como lo es el caso de esta hidrófita emergente; absorben el doble
de clorofila “a” que de clorofila “b”.
Una vez sometida la planta a una radiación ultrasónica (color azul) a una frecuencia
de 17 kHz durante un tiempo de 4.30 horas pudimos observar como las bandas de absorción
de las clorofilas “a” y “b” decaen considerablemente con respecto a las mismas bandas de
absorción de la planta que no ha presentado radiación, esto debido a un daño causado en los
centros de reacción donde se lleva a cabo el proceso fotosintético
Capítulo 6 Espectro de Absorción Óptico en Lirio Acuático: Efecto del US
54
Gráfica 6.4. Espectro de Absorción Óptico de plantas de Lirio Acuático Irradiado y sin Irradiar
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0
LIRIO ACUÁTICO IRRADIADO
Ampl
itude
, mV
Wavelength, nm
LIRIO ACUÁTICO SIN IRRADIAR
Capítulo 7 Monitoreo de la Taza Fotosintética en Lirio Acuático: Efecto del US
55
Monitoreo de la Taza Fotosintética en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
El lirio acuático es el causante de una terrible degradación de los cuerpos de agua en
los que se presenta, y por consiguiente, de la alteración en las actividades antropogénicas
realizadas en las comunidades ribereñas.
El problema más serio es el de la adopción de medidas de control que sean
técnicamente efectivas, económicamente viables y que resulten ambientalmente
compatibles. Es por estas razones que surge la necesidad de incorporar al estudio de estas
medidas de control nuevas tecnologías, siendo en este caso, la implementación de un
dispositivo automatizado generador de ultrasonido para determinar la intensidad y
frecuencias características de irradiación en lirio acuático para inducir la cavitación en el
medio acuoso de su estructura para inhibir su actividad fotosintética, sea idónea para
aplicarla a este tipo de problemática.
Como una herramienta para comprobar el daño causado a las muestras irradiadas
utilizaremos la Técnica Foto Acústica, monitoreando la actividad fotosintética de éstas
(evolución de O2 fotosintético y almacenamiento de energía), con irradiación simultánea,
sin irradiación y con irradiación previa.
Capítulo
7
Capítulo 7 Monitoreo de la Taza Fotosintética en Lirio Acuático: Efecto del US
56
7.1 Medición de la evolución de O2 fotosintético
0 30 60 90 120 150 180 210
0.2460.2480.2500.2520.2540.2560.2580.2600.2620.2640.2660.2680.2700.2720.274 = 100hz
offon
Fotosíntesis (Efecto Negativo)
In
tens
idad
(mV)
Tiempo (s)
Gráfica 1. Intensidad vs Tiempo en haz. F.I: Láser He-Ne 633nm y Lámpara de halógeno a 300 w.
0 30 60 90 120 150 180 210
112000
114000
116000
118000
120000
122000
124000 = 100hz
Fotosíntesis (Efecto Negativo)
Fase
(gra
d)
Tiempo (s)
Gráfica 2. Fase vs Tiempo en haz. F.I.: Láser He-Ne 633nm y Lámpara de Halógeno a 300 w.
Capítulo 7 Monitoreo de la Taza Fotosintética en Lirio Acuático: Efecto del US
57
7.2 Medición del almacenamiento de energía
Gráfica 3. Intensidad vs Tiempo en haz. F.I.: Láser He-Ne 633nm y Lámpara de Xenón a 300 w.
0 30 60 90 120 150 180 210110000
112000
114000
116000
118000
120000
= 200 hz
Fotosíntesis (Efecto Positivo)
Fase
(gra
d)
Tiempo (s)
Gráfica 4. Fase vs Tiempo en haz. F.I.: Láser He-Ne 633nm y Lámpara de Xenón a 300 w.
Capítulo 7 Monitoreo de la Taza Fotosintética en Lirio Acuático: Efecto del US
58
7.3 Medición de la Evolución de O2
posterior a
la Irradiación
Figura 7.7. Medición de la evolución de oxígeno por la técnica FA de una hoja de lirio acuático,
antes (•) y después () de la irradiación ultrasónica. En el caso (•), cuando la luz blanca de fondo se aplica (↑) se obtiene el efecto negativo y cuando la luz blanca de fondo no se aplica (↓) aparece la
contribución fotobárica superpuesta a la contribución fototérmica de la señal FA. En el caso (), prácticamente no existe un cambio en la señal FA cuando la luz blanca de fondo se aplica ( ↑) y
tampoco cuando no se aplica (↓).
La principal y más importante aportación es que se obtuvo la desaparición de la
contribución fototobárica en la señal FA al medir las muestras irradiadas con ultrasonido a
17 kHz, y por lo tanto un posible daño en los centros de producción de la fotosíntesis
debido a la radiación.
Capítulo 8 Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
59
Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
8.1 Microscopia Electrónica de Barrido
Cuando un haz de electrones incide sobre la superficie de un sólido, tienen lugar
varios fenómenos: reemisión de una parte de la radiación incidente, emisión de luz,
electrones secundarios y Auger, rayos X, etc. Todas estas señales se pueden emplear para
obtener información sobre la naturaleza de la muestra (morfología, composición, estructura
cristalina, estructura electrónica, etc.) y de hecho, el microscopio electrónico de barrido
(MEB) con el que cuenta el Laboratorio de Microscopía, JEOL JLM-6390LV, dispone de
detectores que permiten el análisis de electrones secundarios, electrones retro-dispersados y
rayos X característicos.
La técnica consiste, principalmente, en enviar un haz de electrones sobre la muestra
y mediante un detector apropiado registrar el resultado de esta interacción. El haz se
desplaza sobre la muestra realizando un barrido en las direcciones X e Y de tal modo que la
posición en la que se encuentra el haz en cada momento coincide con la aparición de brillo,
proporcionalmente a la señal emitida, en un determinado punto de una pantalla.
Capítulo
8
Capítulo 8 Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
60
Las imágenes que se obtienen en el microscopio electrónico de barrido
corresponden a electrones secundarios o electrones retro-dispersados emitidos tras la
interacción con la muestra de un haz incidente de entre 5 y 30 KeV.
La señal de electrones secundarios se forma en una delgada capa superficial, del
orden de 50 a 100 Å. Al ser grande el número de electrones emitido se puede establecer un
buen contraste. Por otra parte, al ser electrones de baja energía, menos de 50 eV, pueden ser
desviados fácilmente de su trayectoria emergente inicial, y se puede obtener información de
zonas que no están a la vista del detector. Esta particularidad es fundamental para otorgar a
esta señal la posibilidad de aportar información “en relieve”. La apariencia de la imagen es
la que tendría una muestra que hubiese sido iluminada desde el detector y se estuviese
observando desde el cañón de electrones.
En cuanto a la señal de electrones retro-dispersados, su principal utilidad reside en
que su emisión, que se debe a choques de tipo elástico y por tanto con energía del mismo
orden que la de los electrones incidentes, depende fuertemente del número atómico de la
muestra. Esto implica que dos partes de la muestra que tengan distinta composición se
revelan con distinta intensidad aunque no exista ninguna diferencia de topografía entre
ellas. Los electrones retro-dispersados salen de la muestra en mayor cantidad en las
direcciones próximas a la de incidencia, por lo que su detección se hace mejor en las
proximidades del eje de incidencia.
Finalmente, los Rayos X que se generan en una muestra sometida a bombardeo
electrónico permiten identificar los elementos presentes y establecer su concentración.
Cuando un haz electrónico suficientemente acelerado incide sobre la superficie de un
sólido, se produce la ionización de los átomos presentes, esto es, la pérdida de electrones
internos. En este estado un electrón de una capa más externa salta inmediatamente a la capa
deficitaria, y rellena el hueco producido. Este salto implica una liberación de energía, cuyo
valor es igual a la diferencia entre las energías que tenía cada electrón en su orbital
Capítulo 8 Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
61
correspondiente. Esta energía se manifiesta de dos formas: como electrones Auger o rayos
X y es única para cada elemento. Cuando se representa la intensidad de esta radiación
electromagnética frente a su energía se obtiene un espectro de rayos X, constituido por una
serie de picos, designados como líneas, de intensidad variable, a los que se denomina rayos
X característicos, que está superpuesto a un fondo continuo de menor intensidad (Rayos X
continuos).
• Aplicaciones.
Las aplicaciones de la técnica son muy numerosas tanto en Ciencia de Materiales,
como en Ciencia Biomédica. Dentro de la Ciencia de Materiales destacan las aplicaciones
en metalurgia, petrología y mineralogía, materiales de construcción, materiales cerámicos
tradicionales y avanzados, electrónica, fractografía y estudio de superficies y composición
elemental de sólidos en general. La microscopía electrónica de barrido también se aplica en
botánica, en el estudio de cultivos celulares, en dermatología, en odontoestomatología y
biomateriales, en hematología, inmunología, y en el estudio de la morfología de
preparaciones biomédicas en general.
• Requisitos y Limitaciones.
Es fundamental que las muestras que vayan a ser observadas en MEB estén exentas
de líquidos y además que sean conductoras.
Platina de Enfriamiento Peltier de Bajo Vacío para MEB.
Con el aumento en el uso de microscopios de bajo vacío o presión variable, muchos
microscopistas ahora se ven en la necesidad de controlar la evaporación del agua de las
muestras húmedas. Por medio de enfriamiento, la evaporación del agua en un espécimen
Capítulo 8 Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
62
húmedo puede ser más lenta, o dependiendo de la presión de la cámara, detenida por
completo.
Saturada de presión de vapor de agua disminuye considerablemente con la
temperatura. A temperatura ambiente el agua se evapora muy rápidamente, tanto que puede
producir cambios considerables en la estructura de la muestra. A 300 Pa, la temperatura de
la muestra debe ser inferior a -9.5 ° C y a 85 Pa la temperatura de la muestra debe ser
inferior a -25 ° C para así lograr detener la evaporación del agua. Por lo tanto, una muestra
que es enfriada a -25 ° C, la presión de la cámara será de 85 Pa con el objetivo de que se
presente la menor cantidad de evaporación de agua en la muestra. Las ventajas de este
procedimiento son claras; para una muestra que pueda trabajarse a bajo vacío, con el
mencionado proceso de enfriamiento, pueden reducirse los cambios en la estructura de la
muestra debido a la evaporación del agua mientras que la capacidad para operar a alto vacío
proporciona una mejor relación ruido-señal e imágenes más claras.
La Platina de Enfriamiento para MEB deberá operar siempre a bajo vacío o en su
defecto, el microscopio tendrá que contar con la modalidad de presión variable (la presión
de la cámara será de 300Pa). El rango de temperaturas garantizado es de + 50 ° C a -25 ° C.
La Platina de Enfriamiento tipo Peltier es un controlador de temperatura de la muestra a
estudiar que puede ser instalada a cualquier MEB de bajo vacío o presión variable.
El sistema consta de un soporte térmicamente aislado para colocar la muestra con un
dispositivo Peltier y un sensor de temperatura doble, una pestaña de paso de vacío,
enfriador de agua, fuente de energía y un teclado para el control y lectura de la temperatura.
Capítulo 8 Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
63
Secado de las muestras:
Las muestras que quieran ser investigadas mediante microscopía electrónica de
barrido deben ser secadas antes de ser introducidas en el microscopio, de otro modo la baja
presión en el mismo causará que el agua (y otros líquidos volátiles) se evapore saliendo
violentamente de la muestra y alterando la estructura de la misma. Muestras con una rigidez
inherente como metales, rocas, huesos, etc. se pueden secar al aire o en un desecador de
vacío sin que su estructura sufra alteración alguna. Sin embargo, las estructuras blandas con
un alto contenido en agua se deformarán si se dejan secar al aire ya que las fuerzas de
tensión superficial asociadas a la salida del agua causarán daños estructurales. Para evitar
los efectos dañinos que las fuerzas anteriormente mencionadas tienen en la estructura de las
muestras secadas al aire, durante el proceso de secado debe pasarse el límite entre la fase
“líquido-gas”. Entre los métodos que existen para conseguirlo se encuentra el método del
punto crítico en el cual el líquido pasa directamente a la fase de gas. De este modo las
fuerzas de deformación se evitan debido a que el proceso de secado tiene lugar por encima
del punto crítico del líquido, donde el límite entre la fase líquida y la fase de gas no existe.
El punto crítico es aquel estado particular de un gas en el cual todavía puede sufrir
licuefacción. Este estado viene determinado por la presión crítica y la temperatura crítica.
Por encima de este punto el gas no puede experimentar licuefacción debido a que el límite
entre la fase gaseosa y la fase líquida ha desparecido. En este punto el estado líquido y el
estado gas son igualmente densos. Éste es el punto crítico. El líquido pasa a la fase gas sin
pasar por el límite de fases “líquido-gas”, y la muestra se seca sin los efectos dañinos del
secado en aire.
Según los valores de presión y temperatura crítica del agua, 228.5 bar y 374 ºC, si
una muestra contiene agua no puede ser secada mediante el método del punto crítico ya que
los valores tan altos de presión y temperatura podrían destruirla. Así la muestra debe ser
transferida a un agente apropiado, llamado fluido transicional, tal como es el dióxido de
carbono cuyos valores de punto crítico son considerablemente más ventajosos, 73.8 bar y
31 ºC.
Capítulo 8 Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
64
Recubrimiento de las muestras no conductoras:
Cuando se desea visualizar una muestra en un microscopio electrónico de barrido
ésta debe ser conductora ya que, de no ser así, se carga durante la irradiación por una
acumulación de carga que desvía el haz electrónico y, como consecuencia de ello aparecen
distorsiones en la imagen. Una solución a este problema es recubrir la muestra con una
película conductora, de espesor comprendido entre 10 y 25 nm.
Las técnicas empleadas para mejorar la conductividad de las muestras para su
estudio al microscopio electrónico de barrido son la evaporación térmica y el recubrimiento
por sputtering. Ambas conducen a los mismos resultados pero los mecanismos son
distintos.
La elección del material con el que se va a recubrir la muestra depende
fundamentalmente del estudio que se va a realizar. Así, para la observación de imágenes de
electrones secundarios el oro y el oro-paladio son los materiales que conducen a los
mejores resultados; al ser elementos pesados, producen mayor emisión. Cuando lo que se
pretende es realizar un estudio microanalítico es recomendable emplear carbono. El bajo
número atómico de este elemento lo hace prácticamente transparente a los rayos X emitidos
por la muestra. También se emplean, a veces, aluminio, cromo, etc.
El depósito de películas metálicas se puede realizar tanto por evaporación térmica
como por sputtering, pero cuando se recubre con carbono se utiliza habitualmente la
evaporación térmica.
Capítulo 8 Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
65
8.1 Microestructura en Lirio Acuático
A continuación mostramos la aplicación de la microscopia electrónica a muestras
biológicas, siendo en este caso particular al lirio acuático, el cual es nuestro espécimen de
estudio. Para una eficiente observación de las muestras (a grandes rasgos, para tener una
excelente calidad de las imágenes capturadas) fue necesario llevar a cabo una preparación
extremadamente cuidadosa de las mismas. Como ya se ha mencionado, por tratarse de una
muestra biológica que contiene gran cantidad de agua, hemos utilizado la platina de
enfriamiento, cuyo funcionamiento y especificaciones ya han sido descritas.
En las figuras 8.1 y 8.2 observamos las micrografías de cortes longitudinales del
lirio acuático sin irradiar, donde podemos apreciar los estomas junto con las células
oclusivas así como también células protectoras, todas estas estructuras se encuentran en
perfectas condiciones, no muestran ningún daño parcial o total de ninguna naturaleza.
Figura 8.1. Micrografía de un corte longitudinal de lirio acuático sin irradiar.
Capítulo 8 Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
66
Figura 8.2. Micrografía de un corte longitudinal de lirio acuático sin irradiar.
En las figuras 8.3 y 8.4 observamos las micrografías de cortes longitudinales del
lirio acuático irradiado, donde podemos apreciar los estomas junto con las células oclusivas
así como también células protectoras, aquí los daños en estas estructuras son inminentes;
donde el colapso y necrosis es evidente debido esto a la irradiación ultrasónica.
Figura 8.3. Micrografía de un corte longitudinal de lirio acuático sin irradiar.
Capítulo 8 Microestructura en Lirio Acuático: Efecto del ultrasonido
67
Figura 8.4. Micrografía de un corte longitudinal de lirio acuático sin irradiar.
Capítulo 9 Conclusiones
68
Conclusiones
Se llevó a cabo el nuevo diseño de la Cámara Fotoacústica con implementación de válvula
de escape y aumento de la base.
Se elaboraron una serie de cortes histológicos a hojas de lirio acuático para su observación
en microscopio óptico y electrónico.
Se aplicó microscopía óptica y electrónica a los cortes de las hojas de lirio acuático,
obteniendo imágenes ópticas de las muestras para así, incrementar la base de datos para el
monitoreo de la microestructura del lirio acuático, también se obtuvieron imágenes
electrónicas preliminares para incrementar dicha base de datos.
Se realizó el diseño, desarrollo e implementación de un dispositivo generador de
ultrasonido para irradiación en lirio acuático, obteniendo el primer prototipo, el cual se
encuentra en fase de pruebas.
Capítulo
9
Capítulo 9 Conclusiones
69
Se adquirió un conocimiento más avanzado de la operación del MEB (instalación y
configuración de la platina de enfriamiento) para la obtención de imágenes a detalle de
mucha mejor calidad en la microestructura de las muestras.
Se elaboraron una serie de cortes histológicos a hojas de lirio acuático para su observación
en microscopio electrónico.
Se ha incrementado el archivo de imágenes para el monitoreo de la microestructura del lirio
acuático.
Se realizó la implementación del acuario-invernadero para el grupo de control, el cual se
encuentra bajo las mismas condiciones que el acuario-invernadero de irradiación.
Se llevó a cabo el desarrollo de Software y Hardware aplicado al diseño de un sistema
automatizado para generar ultrasonido con intensidad y frecuencia sintonizables con el
objetivo de irradiar al lirio acuático con la variación de estos parámetros.
Se llevó a cabo la determinación de la intensidad y frecuencias características de irradiación
ultrasónica en lirio acuático para inducir la cavitación en el medio acuoso de su estructura
para inhibir su actividad fotosintética
Bibliografía
70
BIBLIOGRAFÍA Anon. 1985. Guidelines for the use of Herbicides in or near Water. Department of
Resources y Energy; Australian Water Resources Council. Australian Government
Publishing Service, Canberra.
Barrett S.C.H. y I.W. Forno 1982. Style morph distribution in new world
populations of Eichhornia crassipes (Mart.) Solms-Laubach (water hyacinth).
Aquatic Botany 13: 299- 306.
Beshir M.O. y F.D. Bennett 1985. Biological control of water hyacinth on the
White Nile, Sudan. In: E.S. Delfosse (Ed.). Proceedings, VI International
Symposium Biological Control of Weeds, Agosto 1984, Vancouver, Canada.
Agriculture Canada, pp 491-496.
Donselaar J. van 1968. Water y marsh plants in the artificial Brokopondo Lake
(Surinam, S. America) during the first three years of its existence. Acta Botanica
Neerlandica 17: 183-196.
Gopal B. 1987. Water Hyacinth. Elsevier, Amsterdam.
Gopal B. y K.P. Sharma 1981. Water-Hyacinth (Eichhornia crassipes) the most
troublesome weed of the world. Hindasia, Delhi.
Hamdoun A.M. y K.B. El Tigani 1977. Weed problems in the Sudan. PANS 23:
190-194.
Bibliografía
71
Harley K.L.S. 1992. Survey of water hyacinth and other floating aquatic weeds in
Guyana, Unpublished report of a consultancy. Commonwealth Science Council,
London.
Harley K.L.S. y I.W. Forno 1989. Management of aquatic weeds. Biological control
by means of arthropods. En: A.H. Pieterse y K.J. Murphy (Eds.), Aquatic Weeds,
Oxford University Press, Oxford, pp 177-186.
Harley K.L.S. y A.D. Wright 1984. Implementing a program for biological control
of water hyacinth, Eichhornia crassipes. En: G. Thyagarajan (Ed.). Proceedings
International Conference on Water Hyacinth, February 1983, Hyderabad, India.
UNEP, Nairobi, pp 58-69.
Holm L.G., D.L. Plucknett, J.V. Pancho y J.P. Herberger 1977. The World's Worst
Weeds. Distribution and Biology. The University Press of Hawaii, Honolulu.
Howard-Williams C. y K. Thompson 1985. The conservation and management of
African wetlands. En: P. Denny (Ed.). The Ecology and Management of African
Wetland Vegetation, W. Junk, Dordrecht.
Irving N.S. y M.O. Beshir 1982. Introduction of some natural enemies of water
hyacinth to the White Nile, Sudan. Tropical Pest Management 28: 20-26.
Jamieson G.I., C. Kershaw y R.J. Ciesiolka 1977. Waterhyacinth control on the
lower Fitzroy River. Journal Aquatic Plant Management 15: 5-9.
Julien M.H. 1992. Biological Control of Weeds. A World Catalogue of Agents and
their Target Weeds. 3rd edition. CABI, Wallingford.
Bibliografía
72
Limon L.G. 1984. Mexican agency studies aquatic weeds. Aquaphyte, Fall 1984, p
3.
Matthews L.J., B.E. Manson y B.T. Coffey 1977. Longevity of waterhyacinth
(Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) seed in New Zealand. Proceedings 6th Asian-
Pacific Weed Science Conference, 1968 1: 273-277.
Mitchell D.S. 1985. African aquatic weeds and their management. En: P. Denny
(Ed), The Ecology and Management of African Wetland Vegetation, W. Junk,
Dordrecht, pp 177-202.
Pablo Alejandro Cardona Ricalde, Tesis De Maestría: “Monitoreo de fotosíntesis en
plantas mediante la Técnica Fotoacústica: Aplicación al estudio del lirio acuático
(Eichhornia Crassipes)”, México, (2005).
Perkins B.D. 1972. Potential for water hyacinth management with biological agents.
Proceedings Annual Tall Timbers Conference on Ecological Animal Control by
Habitat Management. February 1972. pp 53-64.
Perkins B.D. 1973. Release in the United States of Neochetina eichhorniae Warner,
an enemy of water hyacinth. Proceedings of the 26th Annual Meeting of the
Southern Weed Science Society (U.S.A.). p 368.
Philipp O., W. Koch y H. Koser 1983. Utilisation and control of water hyacinth in
Sudan. GTZ, Dag-Hammarskjold-Weg.
Pieterse A.H. 1978. The water hyacinth (Eichhornia crassipes) - a review. Abstracts
on Tropical Agriculture 4: 9-42.
Bibliografía
73
Reddy K.R., M. Agami y J.C. Tucker 1989. Influence of nitrogen supply rates on
growth and nutrient storage by water hyacinth (Eichhornia crassipes) plants.
Aquatic Botany 36: 33-43.
Reddy K.R., M. Agami y J.C. Tucker 1990. Influence of phosphorus on growth and
nutrient storage by water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) plants.
Aquatic Botany 37: 355-365.
Reddy K.R, M. Agami, E.M. D'Angelo y J.C. Tucker 1991. Influence of potassium
on growth and nutrient storage by water hyacinth. Bioresource Technology 37: 79-
84.
Scott W.E., P.J. Ashton y D.J. Steyn, sin fecha. Chemical control of the water
hyacinth on Hartbeespoort dam. Department of Water affairs, Pretoria.
Sculthorpe C.D. 1971. The Biology of Aquatic Vascular Plants. Edward Arnold,
Londres
Smith L.W., R.E. Williams, M. Shaw y K.R. Green 1984. A water hyacinth
eradication campaign in New South Wales, Australia. En: G. Thyagarajan (Ed.).
Proceedings International Conference on Water Hyacinth, February 1983,
Hyderabad, India. UNEP, Nairobi, pp 925-935.
Wright A.D. y T.D. Center 1984. Biological control: Its place in the management of
water hyacinth. En: G. Thyagarajan (Ed.). Proceedings International Conference on
Water Hyacinth, February 1983, Hyderabad, India. UNEP, Nairobi, pp 793-802.
D.P. Almond; P.M. Patel, “Photothermal Science and Techniques”,
Chapman & Hall, First edition, 1996.
Bibliografía
74
Gutiérrez, L. E.; Uribe G. E.; Ruiz , F.E y Huerto D. R. “Control Integral del Lirio
Acuático”, 1997.
A. L. Lehninger, “Bioquímica”, Omega, 2a Edición, 1995.
H. Curtis; N. S. Barnes, “Biología”, Panamericana, 6a. Edición, 2000.
A.C. Pereira; M. Zerbetto; G. C. Silva; H. Vargas; W. J. Da Silva; G. Nieto; N.
Cella; L. M. Miranda. “OPC technique for in vivo studies in plant photosyntesis
research” Meas. Sci. Technol. 3. 1992.
John T.O. Kirk. “Light & Photosynthesis in Aquatic Ecosystems”. Cambridge
University Press. Second Edition. 1994.
Blankenship R. E. “Molecular Mechanisms of Photosynthesis”. Blackwell Science.
First Edition. 2002.
A. G. Bell, Am. J. Sci, 20, 305 (1880)
M. J. Adams and G. F. Kirkbright, Analyst, 102,281 (1977)
A. Rosencwaig and Gersho, J. Appl. Phys, 47, 64 (1976)
F. A. Mc Donald and G. D. Wetsel, J. Appl. Phys. 49 2313 (1978)
A. Rosenxwaig, Opt. Commun., 7, 305 (1973)
C. K. Patel and A. C. Pam, Rev. Mod. Phys. 53, 517 (1981)
Bibliografía
75
H. Vargas and L. C. M. Miranda, Phys. Rep. 161, 43-101 (1988)
G.A. West, J.J. Barret D.R. Siebert, K.V. Reddy, Rev. Sci. Instr. 54, 797 (1985).
Y. S. Touloukian, R. W. Powell C. Y. Ho and M. C. Nicolasu, Thermal Difusivity,
IFI/Plenum, New York (1973).
B. K. Bein and J. Pelzl, Análisis of surfaces explosed to plasmas by nondestructive
photoacustic and photothermal, Plasma diagnostics Cap 6; academic press (1989).
M. A. J. Angström, Philos. Mag. 25, 181 (1863)
E Marin, J Marín-Antuña, P Díaz Arencibia, On the wave treatment of the
conduction of heat in photothermal experiments with solids, Eur. J. Phys. 23
523-
532 (2002).
R. Li Voti, O. B. Wrigth M. Bertolotti, , G.L. Liakhouo, S. Paoloni, C. Sibilia, Thin
transparent film characterization by photothermal reflectance, Review of Scientific
Instrumens Vol 74, No 1 (2003).
José Antonio Calderón Arenas, Tesis De Doctorado Estudio de la Difusión de Calor
en Semiconductores, Materiales Porosos y Metales mediante la Técnica
Fotoacústica, México, (1997).
A. Calderon, R. A. Muñoz Hernández, S. A. Tomas, A. Cruz Orea and F. Sánchez
Sinencio, J. Appl. Phys., 84, pp. 6327-6329 (1998)
Bibliografía
76
M. Bertolotti, R. Li Voti, G.L. Liakhouo, S. Paoloni, C. Sibilia, Thermal wave
reflection and reflaction: Theoretical and experimental evidence. J. Appl. Phys.,
Vol.85, No 7, (1999).
D.P. Almond P.M. Patel, Photothermal Science and Techniques, Chapman & Hall
First edition (1996).
R. A. Hartunian and R. L. Varwig, Phys. of Fluids 5, 169-174 (1962)
J. A. L. E. Prescott and J. D. Cobine, J. Appl. Phys .42, 587-601 (1971)
G. Rousset, F, Lepoutre and L. Bertrand, J. Appl. Phys. 54
, 2383 (1983)
Alex Enrique Florido Cuellar, Tesis De Maestría, Determinación de la Efusividad
Térmica en Sólidos Mediante La Técnica Fotoacústica, México, (2004).