Diseño e implementación de un microscopio de luz polarizada para la medición cuantitativa de propiedades polarimétricas en muestras biológicas
Fecha
2018
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Editor
Universidad EAFIT
Resumen
Descripción
La microscopía de luz polarizada es una técnica de medida basada en el estudio de los cambios en el estado de polarización de la luz al interactuar con medios ópticos -- Esta técnica es utilizada para analizar la anisotropía en las propiedades óptica de un espécimen, como lo son la refracción y absorción -- Su implementación se realiza mediante la integración de elementos ópticos que permitan modificar el estado de polarización de la luz, permitiendo controlar la polarización del haz con que se ilumina la muestra y analizar el estado resultante luego de interactuar con el medio -- El modelo más básico de un microscopio de polarización utiliza un par de polarizadores cruzados para generar una imagen de interferencia de color en muestras cristalinas, pero debido a la capacidad de la técnica para observar estructuras en tejidos biológicos, nuevos diseños se han elaborado para permitir la realización de medidas cuantitativas -- En este trabajo se presenta el diseño de un microscopio de luz polarizada para la medición cuantitativa de propiedades ópticas en muestras biológicas -- En este documento se desarrolla un marco teórico relacionado a la descripción del estado de polarización de la luz y su representación matemática, para esto se abordan dos de las descripciones matriciales más ampliamente utilizadas, el cálculo de Jones y el cálculo de Mueller-Stokes -- Además, se definen las propiedades ópticas de los medios asociadas a la polarización, y se presenta un método para el cálculo de estas mediante la realización de un conjunto de medidas de intensidad -- Para probar el método se evalúo una ventana óptica sometida a cargas termo-mecánicas, generando así birrefrigencia por esfuerzo -- Las propiedades ópticas que se calcularon para la ventana fueron contrastadas contra los resultados obtenidos mediante una aplicación basada en la teoría de la fotoelasticidad -- Se encontró que los resultados experimentales eran correspondientes a los obtenidos mediante simulaciones, con algunos errores asociados a las dificultades para modelar todas las condiciones termo-mecánicas del sistema experimental -- En este trabajo se llevó a cabo el diseño e implementación de un microscopio de luz polarizada, los diseños y elementos utilizados son descritos mediante el uso del software OpticStudio de Zemax -- El microscopio construido cuenta con dos sistemas de iluminación basados en el iluminador de Koehler, para permitir la realización de medidas a transmisión y reflexión -- Además, el instrumento cuenta con un conjunto de sistemas de rotación que componen un polarimetro, permitiendo generar y analizar cualquier estado de polarización -- La sección asociada al desarrollo del microscopio se analiza con un análisis sobre las características asociadas a la magnificación, resolución y propiedades ópticas del instrumento -- En la sección final del documento se presenta un conjunto de medidas realizadas con el microscopio de luz polarizada -- Muestras de diferente naturaleza son observadas, incluyendo: un polarizador lineal que se utilizó como muestra de control -- Se midió un circuito impreso para ejemplificar las correcciones que se deben de implementar sobre los sistemas polarimétricos -- También se realizaron medidas sobre trozos de cinta celofán, para mostrar la diferencia entre realizar medidas con un sistema de microscopia y un sistema formador de imagen convencional -- Además, atendiendo a los objetivos del trabajo se midieron diferentes muestras biológicas como: un diente en el que se identificó caries a partir de la despolarización que se da debido a procesos de desmineralización asociados a la presencia de placa bacteriana -- Se presenta la capacidad de observar a través de medios turbios con técnicas polarimétricas, ejemplificado por la observación de células epiteliales de una cebolla superpuestas con agua -- Se ilustra como las técnicas polarimetricas pueden ser utilizadas para el control de alimentos mediante la medición de almidón -- Adicionalmente, se presentan dos ejemplos en los que se hace evidente la utilidad de realizar mediciones cuantitativas de las propiedades ópticas de muestras biológicas, el primero es un análisis sobre tres hojas con diferente capacidad para realizar fotosíntesis, donde se observa que esta tiene relación con la despolarización introducida por la hoja cuando se le observa a reflexión -- El segundo ejemplo es la medición del espesor de fibras, a través del cual donde se determinó la birrefringencia de un cabello humano -- Finalmente, se presenta una aplicación del método de multimonoscopía para obtener información topográfica en muestras biológicas -- Se mide el tejido epitelial de una cebolla y se obtienen imágenes en los diferentes planos (x - y, x - z, y - z), para la información de retardo y despolarización de la muestra -- Se observa que al utilizar la información de retardo se pueden resaltar algunas características específicas, como la membrana celular
Palabras clave
Matrices de Mueller, Muestra biológica, Birrefringencia, Cálculo de Jones, Formalismo de Mueller - Stokes