Рефрактометр — лабораторный или полевой прибор для измерения показателя преломления ( рефрактометрии ) . Показатель преломления рассчитывается на основе наблюдаемого угла преломления с использованием закона Снелла . Для смесей показатель преломления позволяет определить концентрацию с использованием правил смешивания, таких как соотношение Гладстона-Дейла и уравнение Лоренца-Лоренца .
Стандартные рефрактометры измеряют степень преломления света (как часть показателя преломления) прозрачных веществ в жидком или твердом состоянии; Затем это используется для идентификации жидкого образца, анализа чистоты образца и определения количества или концентрации растворенных веществ в образце. Когда свет проходит через жидкость из воздуха, он замедляется и создает иллюзию «изгиба», степень «изгиба» будет зависеть от количества вещества, растворенного в жидкости. Например, количество сахара в стакане воды. [1]
Существует четыре основных типа рефрактометров: традиционные портативные рефрактометры , цифровые портативные рефрактометры , лабораторные рефрактометры или рефрактометры Аббе (названные в честь изобретателя инструмента и основанные на оригинальной конструкции Эрнста Аббе «критического угла») и поточные технологические рефрактометры . [2] Существует также рефрактометр Рэлея, используемый (обычно) для измерения показателей преломления газов.
В лабораторной медицине рефрактометр используется для измерения общего белка плазмы в образце крови и удельного веса мочи в образце мочи.
В лекарственной диагностике рефрактометр применяют для измерения удельного веса мочи человека.
В геммологии рефрактометр для драгоценных камней является одним из основных приборов, используемых в геммологической лаборатории. Драгоценные камни являются прозрачными минералами, поэтому их можно исследовать оптическими методами. Показатель преломления – это постоянная материала, зависящая от химического состава вещества. Рефрактометр используется для идентификации материалов драгоценных камней путем измерения их показателя преломления, одного из основных свойств, используемых при определении типа драгоценного камня. Из-за зависимости показателя преломления от длины волны используемого света ( т.е. дисперсии ) измерение обычно проводится при длине волны D-линии натрия (Na D ) ~589 нм. Он либо отфильтровывается от дневного света, либо генерируется монохроматическим светодиодом ( LED ). Некоторые камни, такие как рубины, сапфиры, турмалины и топазы, оптически анизотропны . Они демонстрируют двойное лучепреломление , основанное на плоскости поляризации света. Два разных показателя преломления классифицируются с помощью поляризационного фильтра. Рефрактометры для драгоценных камней доступны как в виде классических оптических приборов, так и в виде электронных измерительных приборов с цифровым дисплеем . [3]
При содержании морских аквариумов рефрактометр используется для измерения солености и удельного веса воды.
В автомобильной промышленности рефрактометр используется для измерения концентрации охлаждающей жидкости.
В машиностроении рефрактометр используется для измерения количества концентрата СОЖ, добавленного к СОЖ на водной основе в процессе обработки.
В домашнем пивоварении пивоваренный рефрактометр используется для измерения удельного веса перед ферментацией , чтобы определить количество сбраживаемых сахаров, которые потенциально могут быть преобразованы в спирт.
Рефрактометры Брикса часто используются любителями для приготовления консервов, включая джемы, мармелады и мед. В пчеловодстве рефрактометр Брикса используется для измерения количества воды в меде.
Автоматические рефрактометры автоматически измеряют показатель преломления образца. Автоматическое измерение показателя преломления образца основано на определении критического угла полного отражения. Источник света, обычно долговечный светодиод, фокусируется на поверхности призмы с помощью системы линз. Интерференционный фильтр гарантирует указанную длину волны. Благодаря фокусировке света в точке на поверхности призмы можно охватить широкий диапазон различных углов. Как показано на рисунке «Схема устройства автоматического рефрактометра», измеряемый образец находится в непосредственном контакте с измерительной призмой. В зависимости от показателя преломления падающий свет ниже критического угла полного отражения частично передается в образец, тогда как при более высоких углах падения свет полностью отражается. Эта зависимость интенсивности отраженного света от угла падения измеряется с помощью матрицы датчиков высокого разрешения . По видеосигналу, полученному с помощью ПЗС-датчика, можно рассчитать показатель преломления образца. Этот метод определения угла полного отражения не зависит от свойств образца. Можно даже измерить показатель преломления оптически плотных, сильно поглощающих образцов или образцов, содержащих пузырьки воздуха или твердые частицы. Кроме того, требуется всего несколько микролитров, и образец можно восстановить. Это определение угла преломления не зависит от вибраций и других возмущений окружающей среды.
Показатель преломления данного образца зависит от длины волны для всех материалов. Это дисперсионное соотношение нелинейно и характерно для каждого материала. В видимом диапазоне уменьшение показателя преломления происходит с увеличением длины волны. В стеклянных призмах наблюдается очень незначительное поглощение. В инфракрасном диапазоне длин волн появляются несколько максимумов поглощения и флуктуации показателя преломления. Чтобы гарантировать высокое качество измерения с точностью до 0,00002 показателя преломления, необходимо правильно определить длину волны. Поэтому в современных рефрактометрах длина волны настроена на полосу пропускания +/-0,2 нм, чтобы обеспечить правильные результаты для образцов с различной дисперсией.
Температура оказывает очень важное влияние на измерение показателя преломления. Поэтому температуру призмы и температуру образца необходимо контролировать с высокой точностью. Существует несколько слегка различающихся конструкций контроля температуры; но есть некоторые ключевые факторы, общие для всех, такие как высокоточные датчики температуры и устройства Пельтье для контроля температуры образца и призмы. Контроль температуры в этих устройствах должен быть спроектирован таким образом, чтобы изменение температуры образца было достаточно небольшим и не вызывало заметного изменения показателя преломления.
В прошлом использовались внешние водяные бани, но они больше не нужны.
Автоматические рефрактометры представляют собой электронные устройства с микропроцессорным управлением. Это означает, что они могут иметь высокую степень автоматизации, а также комбинироваться с другими измерительными приборами.
Доступны различные типы ячеек для проб: от проточной кюветы на несколько микролитров до ячеек для проб с заполняющей воронкой для быстрой замены проб без очистки измерительной призмы между ними. Ячейки для проб также можно использовать для измерения ядовитых и токсичных проб с минимальным воздействием на пробу. Микроячейки требуют объема всего в несколько микролитров, обеспечивают хорошее извлечение дорогих образцов и предотвращают испарение летучих образцов или растворителей. Их также можно использовать в автоматизированных системах автоматического заполнения образца на призме рефрактометра. Для удобного заполнения пробы через воронку доступны проточные кюветы с загрузочной воронкой. Они используются для быстрой замены образцов в приложениях контроля качества.
Если автоматический рефрактометр оснащен проточной ячейкой, образец можно наполнять либо с помощью шприца, либо с помощью перистальтического насоса. Современные рефрактометры имеют опцию встроенного перистальтического насоса. Это контролируется через меню программного обеспечения прибора. Перистальтический насос открывает возможность контролировать периодические процессы в лаборатории или выполнять несколько измерений одного образца без какого-либо взаимодействия с пользователем. Это исключает человеческий фактор и обеспечивает высокую пропускную способность.
Если требуется автоматическое измерение большого количества образцов, современные автоматические рефрактометры можно комбинировать с автоматическим устройством смены образцов. Устройство смены образцов управляется рефрактометром и обеспечивает полностью автоматизированные измерения образцов, помещенных в виалы устройства смены образцов для измерений.
Сегодняшние лаборатории хотят измерять не только показатель преломления образцов, но и несколько дополнительных параметров, таких как плотность или вязкость, для эффективного контроля качества. Благодаря микропроцессорному управлению и ряду интерфейсов автоматические рефрактометры могут взаимодействовать с компьютерами или другими измерительными устройствами, например плотномерами, pH-метрами или измерителями вязкости, для хранения данных о показателе преломления и данных о плотности (и других параметрах) в одной базе данных. .
Автоматические рефрактометры не только измеряют показатель преломления, но и предлагают множество дополнительных программных функций, таких как
Рефрактометры часто используются в фармацевтике для контроля качества сырых промежуточных и конечных продуктов. Производители фармацевтических препаратов должны соблюдать ряд международных правил, таких как FDA 21 CFR, часть 11, GMP, Gamp 5, USP<1058>, которые требуют большого объема документации. Производители автоматических рефрактометров поддерживают этих пользователей, предоставляя программное обеспечение прибора, соответствующее требованиям 21 CFR, часть 11, с уровнями пользователей, электронной подписью и журналом аудита. Кроме того, доступны пакеты валидации и квалификации фармацевтических препаратов, содержащие
