Diseño y Desarrollo de un Transiluminador LED para Aplicaciones Académicas.
por Maria Soledad Cruz Martínez ·
Innovación tecnológica en el laboratorio: Transiluminador económico para el fortalecimiento de la licenciatura en Biología
Autores:
- María Soledad Cruz Martinez
- Mario Uriel Juárez Rosales
- Hariel Davin Nicolas Bautista
- Alexis Ramírez Sibaja
Planteamiento del problema y justificación
Los laboratorios académicos requieren equipos para visualizar muestras fluorescentes, pero los transiluminadores comerciales pueden representar una inversión elevada y el uso de radiación UV implica riesgos para los usuarios y las muestras. Ante esta necesidad, se planteó desarrollar un transiluminador basado en LEDs azules, utilizando componentes electrónicos comerciales y un sistema de control de intensidad mediante PWM. Esta propuesta busca proporcionar una alternativa accesible, funcional y de menor riesgo, capaz de generar una iluminación adecuada para la visualización de muestras fluorescentes. Además, el proyecto permite integrar conocimientos de electrónica, óptica e instrumentación científica, fortaleciendo el desarrollo de soluciones tecnológicas aplicadas a entornos educativos.
Marco Teórico
Transiluminadores
Un transiluminador es un equipo utilizado en laboratorios de biología molecular, genética, microbiología y bioquímica para visualizar biomoléculas como ADN, ARN y proteínas separadas mediante electroforesis en gel. Su funcionamiento consiste en emitir luz a una longitud de onda específica, la cual excita los fluoróforos presentes en las muestras, generando una emisión visible que permite observar y documentar las bandas obtenidas. Según la fuente luminosa utilizada, los transiluminadores pueden clasificarse en diferentes tipos.
Principios de Fluorescencia
La fluorescencia es un fenómeno de fotoluminiscencia en el que un fluoróforo absorbe un fotón y eleva un electrón a un estado de mayor energía. Al regresar a un estado de menor energía, libera parte de esta energía en forma de luz de menor energía y mayor longitud de onda que la radiación absorbida. Este fenómeno, conocido como desplazamiento de Stokes, constituye el principio físico fundamental utilizado en los transiluminadores para visualizar muestras fluorescentes. El proceso se desarrolla en tres etapas principales:
- Absorción de energía.
- Excitación electrónica.
- Emisión fluorescente.
Donde:
- = Energía del Fotón
- = Constante de Planck ()
- = Velocidad de la luz ()
- = Longitud de onda
Principio de la Fluorescencia
Electroforesis en Gel
La electroforesis es una técnica de separación molecular basada en la migración de partículas cargadas a través de un gel bajo la acción de un campo eléctrico. Los fragmentos pequeños migran más rápido que los grandes, permitiendo su separación. Una vez finalizado el proceso, las moléculas se tiñen con fluoróforos y se visualizan mediante un transiluminador. El proceso comprende: Preparación del gel, Carga de muestras, Aplicación de voltaje, Separación molecular y Visualización por fluorescencia.
Física, control y sistema óptico
Los LEDs funcionan mediante electroluminiscencia en una unión PN, donde la recombinación de electrones y huecos genera fotones. La longitud de onda depende del band gap:
Se seleccionaron LEDs azules de 470 nm (QVIR28436) por su compatibilidad con fluoróforos, menor riesgo que la radiación UV y disponibilidad comercial. La intensidad se reguló mediante PWM, cuyo ciclo de trabajo se expresa como:
El sistema óptico incorporó LEDs, un difusor y un filtro ámbar.
Diseño y desarrollo del Transiluminador
Para la estructura principal se seleccionó policarbonato por su resistencia al impacto, bajo peso, facilidad de mecanizado, resistencia a la humedad y estabilidad dimensional. Estas características permitieron obtener una estructura ligera, resistente y de bajo costo, adecuada para el prototipo.
Diseño Tridimensional del Prototipo
Antes de la fabricación se desarrolló un modelo tridimensional mediante diseño asistido por computadora (CAD), que permitió verificar las dimensiones, distribuir los componentes electrónicos y ópticos, definir la ubicación de los LEDs y el filtro, y evaluar la distribución de la iluminación. Esto facilitó la planificación y redujo posibles errores durante la fabricación.
Transiluminador_3D
Selección de LEDs
Después de diversas pruebas experimentales se seleccionó el modelo QVIR28436 de color azul. La elección se realizó considerando:Intensidad luminosa, Longitud de onda de emisión, Disponibilidad comercial, Compatibilidad con sistemas PWM y Bajo costo. La longitud de onda emitida por estos LEDs se encuentra dentro del rango adecuado para excitar fluoróforos utilizados en geles de electroforesis. Esta característica permitió obtener una fluorescencia claramente observable durante las pruebas experimentales.
[Figuras: espectros medidos de las pruebas experimentales]
- P1: pico en 504.0 nm y P3: pico en 506.0 nm
- Las Gráficas de «Análisis espectral de LEDs azules» y «Comparación de todas las pruebas» (Pruebas 1 a 5)
Desarrollo Electrónico
El sistema permite controlar la intensidad luminosa de los LEDs. La regulación del brillo se implementó mediante un módulo PWM comercial.
Placa_Electronica_Animada
Sistema de difusión óptica
Para mejorar la calidad de la iluminación y observación, se incorporó un sistema óptico compuesto por un difusor de acrílico semitransparente blanco y un filtro de acrílico color ámbar. El difusor permitió obtener una iluminación homogénea, determinándose una separación de 2 a 4 cm respecto a los LEDs. Por su parte, el filtro ámbar redujo la luz azul reflejada, mejorando el contraste e identificación de las bandas fluorescentes.
Transiluminador LED con filtro ámbar
