ESTUDIO DEL EFECTO DEL ULTRASONIDO EN PLANTAS DE LIRIO ...

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


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.


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


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.


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


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].


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,


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


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.


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


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


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.


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.


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.


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


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.


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


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

http://www.ni.com/labview/esa/launchpad.htm�


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


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.

http://www.ni.com/labview/esa/launchpad.htm�


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


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.


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;


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


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


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


29



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


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].


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




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.


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




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.


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.


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.


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

http://es.wikipedia.org/wiki/Onda�

http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia�

http://es.wikipedia.org/wiki/O%C3%ADdo�

http://es.wikipedia.org/wiki/Hercio�

http://es.wikipedia.org/wiki/Delphinidae�

http://es.wikipedia.org/wiki/Murci%C3%A9lago�

http://es.wikipedia.org/wiki/Radar�

http://es.wikipedia.org/wiki/Ecolocalizaci%C3%B3n�


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.

http://es.wikipedia.org/wiki/Ebullici%C3%B3n�

http://es.wikipedia.org/wiki/Fase_(qu%C3%ADmica)�

http://es.wikipedia.org/wiki/Ebullici%C3%B3n�

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_vapor�

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido�

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n�

http://es.wikipedia.org/wiki/Fase�

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas�



http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura�


http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura�







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.


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


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.


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


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.


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.


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


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.


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


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


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.


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


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


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


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


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.


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.


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


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


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


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.


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.


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.


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.


66


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.



67


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).

ESTUDIO DEL EFECTO DEL ULTRASONIDO EN PLANTAS DE LIRIO ...

Documents

Transcript of ESTUDIO DEL EFECTO DEL ULTRASONIDO EN PLANTAS DE LIRIO ...