TRABAJO FIN DE MASTER

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1 TRABAJO FIN DE MASTER UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Master en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática Diseño e Implementación de un Sistema de Espectroscopía Optoacústica basado en Diodos Laser a dos Longitudes de Onda(850 y 905nm) y un Láser de Nd:YAG a (532 y 1064nm). Aplicación al Estudio de Nanoestructuras de Carbono y Gadolinio Autor: Pedro Fernando Escudero Villa Tutor: Horacio Lamela Rivera

2 1. Introducción 2. Objetivos 3. Fase Teórica Contenido 4. Fase Experimental S1->Nd:YAG+GdNP S2 -> Golay Cod+ 2DL + DWCNT S3 -> Golay Cod+ Nd:YAG + DWCNT 5. Resultados y Evaluación 6. Conclusión y Trabajo Futuro 2

3 Introducción Efecto optoacústico reportado por Alexander G. Bell hace algo más de un siglo. Aplicaciones: Imagen biomédica, Sistema de espectroscopia Como parte de GOTL-UC3M, Vincent Cunningham ha presentado recientemente en su tesis doctoral, un sistema de espectroscopia optoacústica (Sistema de Laser sintonizable Nd:YAG + OPO), para la caracterización espectral de nanopartículas de oro en medios turbios (410nma2400nm) Diseño e implementación de un sistema de espectroscopia optoacústica - Basadoendiodoslaserdealtapotenciadesalida,yunlaserdeNd:YAG - Análisis espectral de absorción óptica de nanoestructuras de carbono y gadolinio - Codificación de pulsos ópticos 3

4 Objetivos Realizar un estudio del estado del arte (Nanopartículas, nanoestructuras, técnica optoacústica, codificación digital) Caracterización GdNP usando un sistema optoacústico, basado en un laser Nd:YAGa 532nm Diseñar e implementar un sistema de espectroscopia basado en diodos laser de alta potencia a (850 y 905nm) para caracterizar nanoestructuras de carbono, como un sistema alternativo a al sistema de espectroscopia basado en un laser sintonizable (Nd:YAG + OPO). 4

5 Fase Teórica 5

6 Fase Teórica Principios Ópticos Absorción Dispersión Ley de Beer Lamber µ t = µ a + µ s 6

7 Fase Teórica Generación Optoacústica Para la generación de señales optoacústicas en material absorbente, es necesario asumir las siguientes condiciones: 1. Confinamiento térmico Onda de Presión Absorbente 2. Absorción uniforme Pulsos Laser 3. Confinamiento de presión 4. Las propiedades acústicas del material son idénticas a las del medio circundante Presión Confinamiento Térmico t 1 t 2 Tiempo 7

8 Fase Teórica Nanopartículas Materiales de tamaño nanométrico han sido ampliamente usados como elemento de contraste en técnicas de imagen biomédica. Nanocristales y materiales orgánicos dopados con lantánidos La/Gd, han sido propuestos como particúlas superparamagnéticas orientadas al uso como agentes de contraste en imagen por RM NaYF NaGdF NaLaF D. Fernando Herraz CNIC: Centro nacional de investigaciones cardiovasculares 8

9 Fase Teórica Nanoestructuras de carbono Los nanotubos de carbono (carbón nanotubecnt),son una forma alotrópica del carbono. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrolladas sobre sí misma CNT en Imágenes: rayos X, MRI, TAC, PET, OPT, MPA. Nanotubos de pared doble (DWCNT) Composición: (1mg DWNT, 50mg SDBS, 10ml D 2 ) Departamento de Química, Universidad de Shinshu - Japón Prof. Mauricio Torres SDBS : Dodecil benceno sulfonato de sodio 9

10 Fase Teórica Codificación Optoacústica: Códigos Golay Codificación digital usos: Sistemas de comunicación: Garantizar la transmisión de datos Biomedicina: Imágenes por Ultrasonido Ventajas: - Eliminación de ambigüedades de ecos producidos por pulsos subsecuentes. - Mejora de relación de señal ruido (SNR) - Permite saber cuándo se han perdido señales en el medio. - Facilita la detección y clasificación de pulsos optoacústicos al usar varias fuentes de luz láser a diferentes longitudes de onda. Desventajas: - Limitación a identificar señales mediante secuencias unipolares, ósea dos códigos diferentes 0 y 1. 10

11 Fase Experimental 11

12 Fase Experimental Sistema Optoacústico 1: Laser de Nd:YAG, (GdNP) Longitud de Onda 532nm Volumen 0,0157-0,0208 mm 3 Duración de Pulso <10 ns Energía Pulso 25 µj promedio Frecuencia 100 Hz Amplificación 40dB a) NaGdF 4, b) NaLaF 4, c) NaYF 4 12

13 Fase Experimental Sistema Optoacústico 1: Implementación 13

14 Fase Experimental Sistema Optoacústico 1: Caracterización a) NaYF 4 b) NaGdF 4 c) NaLaF 4 14

15 Fase Experimental Sistema Optoacústico 1: Cuantificación de NaYF NaGdF NaLaF a) NaYF 4. cm -1 Ampl / mv b) NaGdF 4. cm Optoacoustic Signal / us c) NaLaF 4. cm -1 15

16 Fase Experimental Sistema Optoacústico 2: Diodos Laser, (DWCNT) Codificación Golay 23 ms 10 ms A B 66 ms Longitud de Onda 850, 905nm Volumen 0,0157 mm 3 Duración de Pulso 100 ns Energía Pulso µj Frecuencia 1 KHz Amplificación 40dB Composición: 1mg DWNT, 50mg SDBS, 10ml D 2 O 16

17 Fase Experimental Sistema Optoacústico 2: Implementación 17

18 Fase Experimental Sistema Optoacústico 2: Cuantificación de Laser A 10 DWCNT - A 850nm Ampl / mv 5. cm Optoacoustic Signal / us 10 DWCNT - B Ampl / mv 2 0 Laser B 1064nm Optoacoustic Signal / us. cm -1 18

19 Fase Experimental Sistema Optoacústico 3: Laser de Nd:YAG, (DWCNT) Codificación Golay 23 ms 10 ms A B 66 ms Longitud de Onda 532, 1064 nm Volumen 0,0157 mm 3 Duraciónde Pulso < 10ns Energía Pulso 25 promedio Frecuencia 470 Hz (Promedio) Amplificación 40dB Composición: 1mg DWNT, 50mg SDBS, 10ml D 2 O 19

20 Fase Experimental Sistema Optoacústico 3: Implementación 20

21 Fase Experimental Sistema Optoacústico 3: Cuantificación de 532 nm nm Ampl / mv cm Tiempo / us nm 0.04 Ampl / V cm nm Optoacoustic Signal / ms x

22 Resultados y Evaluación 22

23 Resultados y Evaluación SOp1: GdNP - Bajo nivel de absorción - Baja energía por pulsos de diodos laser para generar señales optoacústicas - A la espera de información especifica por parte del CNIC (Concentración, Composición química) SOp2, 3: DWCNT DWCNT Nivel de Absorción de DWCNT a 4 longitudes de onda Longitud de onda (nm) Coeff. de Absorción (cm -1 ) , , ,6267 Absorción / cm Longitud de Onda (nm) 23

24 Resultados y Evaluación Ventajas (S2, S3) Sistema más compacto con similares características al sistema de láser sintonizable (Nd:YAG + OPO) Disponibilidad de varias longitudes de onda en un mismo sistema. Disposición geométrica de fuentes laser en un mismo sistema Permite la selectividad de detección Menos costoso que usar un sistema de láser de Nd:YAG Uso de codificación en cada diodo laser (1 código por longitud de onda) Desventajas (S2, S3) Menor energía por pulso de salida, en comparación con un de láser sintonizable (Nd:YAG + OPO) (45mJ a 20 µj) Mayor cuidado en el diseño e implementación del sistema basado en diodos laser 24

25 Resultados y Evaluación Tabla Comparativa de fuentes de luz láser 25

26 Conclusión y Trabajo Futuro 26

27 Conclusión y Trabajo Futuro Conclusiones Bases teóricas e instrumentales para la caracterización espectral de nanopartículas y nanoestructuras por medio de la técnica optoacústica GdNP, presentan mayor o menor absorción de acuerdo a su componente químico de dopaje Viabilidad de orientar el sistema de espectroscopia optoacústica a aplicaciones biomédicas al poder caracterizar un material biológico. Esta tesis de Máster se ha planteado como trabajo inicial del Proyecto OILTEBIA (Optical Imaging and Laser Techniques for Biomedical Applications) 27

28 Conclusión y Trabajo Futuro Trabajo Futuro Caracterización optoacústica de Nanopartículas basadas en componentes de Gadolinio, Nanoestructuras de Carbono Caracterización óptica -optoacústica en un rango de longitud de onda mas amplio Proyectar como agentes de contraste en aplicaciones bimodales de imagen biomédica (OPT y RMI) Sistema optoacústico basado en diodos laser de alta potencia Implementación de un sistema de espectroscopia optoacústica, en rango mayor de longitudes de onda. 28

29 Muchas gracias por su atención