Las células de absorción de paso múltiple o de recorrido largo se utilizan comúnmente en espectroscopía para medir componentes de baja concentración o para observar espectros débiles en gases o líquidos. Se lograron varios avances importantes en esta área a partir de la década de 1930, y la investigación de una amplia gama de aplicaciones continúa hasta el día de hoy.
Descripción funcional
Generalmente, el objetivo de este tipo de celda de muestra es mejorar la sensibilidad de detección aumentando la longitud total del camino óptico que viaja a través de un volumen de muestra pequeño y constante. En principio, una ruta más larga da como resultado una mayor sensibilidad de detección. Se deben usar espejos de enfoque para redirigir el haz en cada punto de reflexión, lo que hace que el haz se restrinja a un espacio predefinido a lo largo de una trayectoria controlada hasta que sale de la cavidad óptica . La salida de la celda es la entrada de un detector óptico (un tipo especializado de transductor ), que detecta cambios específicos en las propiedades del haz que ocurren durante la interacción con la muestra de prueba . Por ejemplo, la muestra puede absorber energía del haz, dando como resultado una atenuación de la salida que es detectable por el transductor. Dos células multipaso convencionales se denominan célula blanca y célula de Herriott. La celda de múltiples pasadas actualmente popular y utilizada comercialmente también conocida y la celda circular de múltiples pasadas se utilizan ampliamente en procesos industriales, ambientales y de detección de gases traza. [1]
Pfund Cell
A finales de la década de 1930, August Pfund utilizó una celda de triple paso como la que se muestra arriba para el estudio atmosférico. La celda, que se conoció como la celda Pfund, está construida con dos espejos esféricos idénticos, cada uno con un orificio cuidadosamente mecanizado en su centro. La distancia de separación entre los espejos es igual a la distancia focal del espejo. Una fuente entra por un agujero en cualquiera de los espejos, se redirige dos veces en dos puntos de reflexión y luego sale de la celda a través del otro espejo en la tercera pasada. La celda Pfund fue uno de los primeros ejemplos de este tipo de técnica espectroscópica y se destaca por haber utilizado múltiples pases. [2]
Glóbulo blanco
La célula blanca fue descrita por primera vez en 1942 por John U. White en su artículo Long Optical Paths of Large Aperture , [3] y fue una mejora significativa con respecto a las anteriores técnicas de medición espectroscópica de larga trayectoria . Una celda blanca se construye utilizando tres espejos cóncavos esféricos que tienen el mismo radio de curvatura. Los espejos están separados por una distancia igual a sus radios de curvatura. La animación de la derecha muestra una celda blanca en la que un rayo hace ocho pases o recorridos reflectantes . El número de recorridos se puede cambiar con bastante facilidad haciendo ligeros ajustes de rotación en M2 o M3; sin embargo, el número total de recorridos siempre debe ocurrir en múltiplos de cuatro. Los haces de entrada y salida no cambian de posición a medida que se agregan o eliminan los recorridos, mientras que el número total de recorridos se puede aumentar muchas veces sin cambiar el volumen de la celda y, por lo tanto, la longitud total de la trayectoria óptica se puede aumentar en comparación con el volumen. de la muestra bajo prueba. Los puntos de varias pasadas pueden superponerse en los espejos M2 y M3, pero deben ser distintos en el espejo M1. Si el haz de entrada se enfoca en el plano de M1, entonces cada viaje de ida y vuelta también se enfocará en este plano. Cuanto más ajustado sea el enfoque, más puntos no superpuestos puede haber en M1 y, por lo tanto, mayor será la longitud de trayectoria máxima.
En la actualidad, la celda blanca sigue siendo la celda multipaso más utilizada y ofrece muchas ventajas. [4] Por ejemplo,
- El número de recorridos se controla fácilmente
- Permite una alta apertura numérica.
- Es razonablemente estable (pero no tan estable como la célula de Herriott)
Los glóbulos blancos están disponibles con longitudes de trayectoria que van desde menos de un metro hasta muchos cientos de metros. [5]
Célula de Herriott
La célula de Herriott apareció por primera vez en 1965 cuando Donald R. Herriott y Harry J. Schulte publicaron Líneas de retardo óptico plegadas mientras trabajaban en Bell Laboratories . [6] La celda de Herriott está formada por dos espejos esféricos opuestos. Se mecaniza un orificio en uno de los espejos para permitir que los haces de entrada y salida entren y salgan de la cavidad. Alternativamente, el rayo puede salir a través de un agujero en el espejo opuesto. De esta manera, la celda Herriott puede soportar múltiples fuentes de luz al proporcionar múltiples orificios de entrada y salida en cualquiera de los espejos. A diferencia de la celda blanca, el número de recorridos se controla ajustando la distancia de separación D entre los dos espejos. Esta celda también se usa comúnmente y tiene algunas ventajas [4] sobre la celda blanca:
- Es más simple que la celda blanca con solo dos espejos que son más fáciles de colocar y menos susceptibles a las perturbaciones mecánicas de la celda.
- Puede ser más estable que la celda blanca.
Sin embargo, la celda de Herriot no acepta haces de alta apertura numérica. Además, se deben usar espejos de mayor tamaño cuando se necesitan trayectos más largos.
Células circulares multipaso
Otra categoría de celdas de múltiples pasadas se denomina generalmente celdas de reflexión de múltiples pasadas circulares. Fueron introducidas por primera vez por Thoma y colaboradores en 1994. [7] Estas células se basan en una disposición circular de espejos. El rayo entra en la celda en ángulo y se propaga en forma de estrella (vea la imagen de la derecha). La longitud de la trayectoria en celdas circulares de múltiples pasos se puede variar ajustando el ángulo de incidencia del haz. Una ventaja radica en su robustez frente a tensiones mecánicas como vibraciones o cambios de temperatura. Además, las celdas circulares multipass se destacan por los pequeños volúmenes de detección que proporcionan. [8] Se logra una propagación estable del haz dando forma a puntos de reflexión individuales para formar una disposición de espejos no concéntricos. [9] [10]
En un caso especial, se utiliza un espejo circular, que permite un ajuste continuo del ángulo de incidencia. Un inconveniente de esta configuración de celda circular es la disposición de espejo concéntrico inherente que conduce a imágenes imperfectas después de un gran número de reflejos.
Ver también
Referencias
- ^ Blanco; Tittel (2002). "Espectroscopia láser infrarroja sintonizable". Informes anuales sobre el progreso de la química, la Sección C . RSCPublishing. 98 : 219-272. doi : 10.1039 / B111194A .
- ^ "CÉLULAS DE GAS DE LARGO CAMINO" .
- ^ White, John (1942). "Caminos ópticos largos de gran apertura". Revista de la Optical Society of America . 32 (5): 285. Bibcode : 1942JOSA ... 32..285W . doi : 10.1364 / josa.32.000285 .
- ^ a b Robert, Claude (2007). "Célula óptica de reflexión múltiple simple, estable y compacta para trayectos ópticos muy largos". Óptica aplicada . 46 (22): 5408–5418. Código Bibliográfico : 2007ApOpt..46.5408R . doi : 10.1364 / AO.46.005408 . PMID 17676157 .
- ^ John M. Chalmers (1999). "Capítulo 4: espectroscopia de infrarrojo medio" . Espectroscopía en análisis de procesos . CRC Press LLC. pag. 117. ISBN 1-84127-040-7.
- ^ Herriott, Donald; Schulte, Harry (1965). "Líneas de retardo óptico plegadas". Óptica aplicada . 4 (8): 883–891. Código bibliográfico : 1965ApOpt ... 4..883H . doi : 10.1364 / AO.4.000883 .
- ^ Thoma (1994). "Una celda de reflexión múltiple adecuada para mediciones de absorción en tubos de choque". Ondas de choque . 4 (1): 51. Bibcode : 1994ShWav ... 4 ... 51T . doi : 10.1007 / bf01414633 . S2CID 122233071 .
- ^ Tuzson, Bela (2013). "Célula óptica compacta multipaso para espectroscopia láser". Letras de óptica . 38 (3): 257–9. Código Bibliográfico : 2013OptL ... 38..257T . doi : 10.1364 / ol.38.000257 . PMID 23381403 .
- ^ Graf, Manuel (2018). "Celda multipaso compacta, circular y ópticamente estable para espectroscopia de absorción láser móvil" . Letras de óptica . 43 (11): 2434–2437. doi : 10.1364 / OL.43.002434 . PMID 29856397 .
- ^ "IRcell-S - celda multipaso sin máscara de absorción" . Espectrómetros de doble peine rápidos, de banda ancha y de alta resolución: barrido de infrarrojos . 2019-12-10 . Consultado el 5 de octubre de 2020 .