Las celdas de absorción de paso múltiple o de trayectoria larga se utilizan comúnmente en espectroscopia 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 en una amplia gama de aplicaciones continúa hasta el día de hoy.
En general, el objetivo de este tipo de celda de muestra es mejorar la sensibilidad de detección al aumentar la longitud total del camino óptico que recorre un volumen de muestra pequeño y constante. En principio, una longitud de camino más larga da como resultado una mayor sensibilidad de detección. Se deben utilizar 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 un camino controlado 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, lo que da como resultado una atenuación de la salida que es detectable por el transductor. Dos celdas multipaso convencionales se denominan celda White y celda Herriott. [1]
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 celda Pfund, está construida utilizando 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 longitud focal del espejo. Una fuente entra por un orificio 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 el tercer paso. La celda Pfund fue uno de los primeros ejemplos de este tipo de técnica espectroscópica y se destaca por haber utilizado múltiples pases. [2]
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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 técnicas de medición espectroscópica de trayectoria larga anteriores . Una célula blanca se construye utilizando tres espejos esféricos y cóncavos 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 célula blanca en la que un haz realiza ocho pases o recorridos reflectantes . El número de recorridos se puede cambiar con bastante facilidad haciendo ligeros ajustes rotacionales en M2 o M3; sin embargo, el número total de recorridos siempre debe ocurrir en múltiplos de cuatro. Los haces que entran y salen no cambian de posición a medida que se agregan o eliminan recorridos, mientras que el número total de recorridos se puede aumentar muchas veces sin cambiar el volumen de la célula y, por lo tanto, la longitud total del camino óptico se puede hacer grande en comparación con el volumen de la muestra bajo prueba. Los puntos de los distintos pases 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, cada paso de ida y vuelta también se enfocará en este plano. Cuanto más preciso sea el enfoque, más puntos no superpuestos puede haber en M1 y, por lo tanto, mayor será la longitud máxima del camino.
En la actualidad, la célula blanca sigue siendo la célula multipaso más utilizada y ofrece muchas ventajas. [4] Por ejemplo,
Existen células blancas con longitudes de recorrido que van desde menos de un metro hasta muchos cientos de metros. [5]
La celda Herriott apareció por primera vez en 1965 cuando Donald R. Herriott y Harry J. Schulte publicaron Folded Optical Delay Lines mientras estaban en Bell Laboratories . [6] La celda 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 haz puede salir a través de un orificio en el espejo opuesto. De esta manera, la celda Herriott puede admitir múltiples fuentes de luz al proporcionar múltiples orificios de entrada y salida en cualquiera de los espejos. A diferencia de la celda White, 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 White:
Sin embargo, la celda Herriot no acepta haces de gran apertura numérica. Además, se deben utilizar espejos de mayor tamaño cuando se necesitan longitudes de trayectoria más largas.
Otra categoría de celdas multipaso se denomina celdas de reflexión multipaso circulares. Fueron introducidas por primera vez por Thoma y colaboradores en 1994. [7] Estas celdas se basan en una disposición circular de espejos. El haz entra en la celda bajo un ángulo y se propaga en un patrón con forma de estrella (ver imagen a la derecha). La longitud del camino en las celdas multipaso circulares 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 multipaso circulares se destacan por los pequeños volúmenes de detección que proporcionan. [8] Se logra una propagación estable del haz al dar forma a los 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 inherentemente concéntrica del espejo, que da lugar a una formación de imágenes imperfecta tras un gran número de reflexiones.