Refraktometria

A refraktométer olyan technika, amely célja, hogy meghatározza a valós része a törésmutató egy anyag .

Az alkalmazott laboratóriumi vagy terepi műszer a refraktométer . A legtöbb jelenlegi modell megméri a törés határszögét, majd levezeti a minta törésmutatóját. Az index a Snell-Descartes-törvény alapján kerül kiszámításra, és Gladstone törvénye alapján az anyag összetételéből is megbecsülhető . A modern refraktométerek olyan digitális eredményeket nyújtanak, amelyek lehetővé teszik a számítógépes feldolgozást egy szabványos interfészen keresztül (Ethernet, USB, RS232).

Kalibrálás után a refraktométer lehetővé teszi az oldott anyag koncentrációjának megismerését egy ismert oldószerben. Ez a helyzet a szőlőlében lévő cukor meghatározásával. Ezenkívül a forrás és az olvadás hőmérsékletének mérésével együtt a refraktometria az egyik leggyakoribb teszt a szerves szintézis termékeinek azonosítására .

Történelmi

1874-ben Ernst Abbe , aki akkor Carl Zeiss cégében dolgozott , írt egy könyvet, amelyben bemutatta első refraktométerét, egy találmányt, amely valójában 1869-ből származik. Ez a refraktométer az Amici tetőprizmák segítségével működött, és meg tudja mérni a folyadékok optikai mutatóit 1,3 és 1,7 között változik. Kezdetben Carl Zeiss nagyon korlátozott számban építette ezt a típusú eszközt, szigorúan a vállalat belső használatára és néhány speciális ügyfél számára fenntartva. 1881-ben Abbe refraktométerét megnyitották a nyilvánosság előtt, és megjelent a Zeiss mikroszkópok katalógusában. 1893-ban és Carl Pulfrich vezetésével Zeiss kiadta az optikai műszerezésre szakosodott katalógust: Abbe és Wolney refraktométerei jelentik ennek a katalógusnak a főszerepét. Ez az utolsó refraktométer az étkezési zsírok törésmutatójának mérésére szakosodott, és lehetővé teszi többek között a vaj és a margarin megkülönböztetését.

Az elkövetkező fél évszázadban Carl Zeiss tökéletesítette felszerelését, ugyanazon működési elv megtartása mellett. Így 1882-től a Wolney refraktométerrel mérhető optikai indexek tartománya csökkent, és ez lehetővé tette egy retikulummal ellátott afokális távcső hozzáadását az olvasás megkönnyítése érdekében. Egy 1893-as kiállítás során az eredetileg a prizmákat borító festéket egy ellenállóbb nikkel bevonattal helyettesítették . 1899-ben a keretet megmerevítették, és egy nagyobb megvilágító tükör kísérte, amely világosabbá tette az olvasást. 1911-ben a keretet átalakították, és most nagyon szilárdan festett vasalappal rendelkezik. Ugyanebben az évben Zeiss kiadott egy refraktométert, amelyet kifejezetten a cukor törésmutatójának mérésére terveztek.

Az első világháború végén Carl Zeiss elvesztette a refraktométerek gyártásának monopóliumát. Például Angliában számos élelmiszeripari vállalat kutatási célokra saját refraktométereket fejleszt. Így az 1920-as években három nagyvállalat jelent meg a refraktométer piacon: a Bausch & Lomb Optical Co. ( USA ), a Spencer Lens Company ( USA ) és az Adam Hilger & Co. ( Anglia ). Produkcióik nagyon hasonlóak a kezdeti Abbe refraktométerhez. Egy harmadik amerikai cég, a Warren Valentine Co. (nevét alkotójáról kapta) szintén gyártott refraktométereket a háború után. Valentine-nak 1917-ben refraktométerekre volt szüksége, és a háború miatt nem tudta megszerezni őket. Létrehozta saját refraktométer-gyártását. Első termékeinek kiadását azonban 1919-ig elhalasztják, képzett személyzet és alapanyagok hiányában. Ez a késés lehetővé teszi számára Abbe refraktométerének pontosabb változatban történő átalakítását, amely Valentine refraktométerévé válik.

1926-ban az élelmiszeripar számára tervezett refraktométer lehetővé tette mind a cukor, mind az olaj indexének mérését.

Hiába pusztultak el Carl Zeiss műhelyei Jenában a második világháború alatt , a vállalat a háború után továbbra is Abbe refraktométereket gyártott, amelyek alakjuk alapján nagyon jól felismerhetők voltak. Mivel Németország kettészakadt, a nyugatnémetországi fióktelep elvált az eredeti cégtől (a Jena Kelet-Németországban volt ), és úgy döntött, hogy átalakítja műszereinek tervét. Az eredmény egy elegáns műszer sorozat, amely lehetővé teszi az index beállítását és egyetlen szemlencsén keresztüli olvasását. 1956-ban a Bausch & Lomb Optical Co. kiadta az „Abbe 3L” hasonló refraktométert. Ezenkívül a készülék elektromos, a megvilágítás pedig belső forráson keresztül történik. Ez a műszer nagyon népszerűvé vált, és nagyon hasonlít a jelenlegi refraktométerekre.

1976 körül az American Optical - a Spencer utódja - piacra dobta a digitális leolvasású Abbe refraktométert, amelyet a Leica márkanév alatt értékesítenek .

Klasszikus Abbe refraktométer

Készülék leírása

Az első refraktométert 1874-ben írta fel feltalálója, Ernst Abbe. 1901-es refraktométeres tanulmányában Culmman leírta, hogy ez a műszer két kovakőből készült prizmából áll, amelyek a vizsgálandó folyadék 1/20-as milliméter vastagságának vékony rétegét tartalmazzák. A felső prizmát csak legelővilágítás létrehozására használják. Véret legújabb cikke szerint a modern refraktométerekben a felső prizmát használják megvilágításra, az alsó prizmát pedig lehetővé teszi a mérés.

Mivel nem lehetséges egyetlen legeltetési sugár, amely a megfelelő helyre kerül az alapanyag anyaga, az eszköz játékba hoz egy fénysugarat, amelynek felépítése által a legeltetési sugár a határa. Ez a világító kefe a felső prizma felhasználásával készül. Ez a fénysugár jelenti azt a fénytartományt, amelynek határértéke a hálóhoz igazodik, és ez lesz a mérés alapja.

A mérték és az index közötti kapcsolat

Egy tökéletesen ismert prizmát (a csúcs a szöge, n 'index) veszünk figyelembe, levegőbe merülve (1. index), amelyre egy csepp ismeretlen minta kerül. Figyelembe vesszük azt is, hogy egy sugár normál előfordulási gyakorisággal lép be.

Ebben a keretben a következő egyenlőségek vannak:

A retikulum helyzetének mérése közvetlenül kapcsolódik a . A tudás lehetővé teszi a megszerzését . Ezen felül, és adjon hozzáférést ehhez , amely együttesen lehetővé teszi az ismeretlen index visszavezetését .

Használja fehér fényben

Az alapeszköz csak monokromatikus fénnyel használható , mert egy anyag indexe, különösen a kovakőé, a hullámhossztól függ. Valójában a kovakőüvegek diszperziója magas (az Abbe-szám kevesebb, mint 50).

A nátrium-D vonalat (hullámhossz 589 nm) történelmileg választották, mert közel van a szem maximális érzékenységének zónájához (zölden, 550 nm körül). A fehér fényben történő munkavégzéshez két másik prizmát helyeznek el a kovakő és a kollimáló távcső között úgy, hogy áthaladásuk után a különböző színű sugárzások összenövekedjenek. Ezt az eszközt kompenzátornak nevezik. Így lehetővé válik egy akromatikus rendszer, amely fehér fényben használható.

Az aktuális refraktométerek természetes fényben vagy fehér lámpa megvilágításával működnek. A fény egy ablakon keresztül érkezik a felső prizma bejárati oldalán. Alja matt, hogy elkerülje a másodlagos visszaverődést.

A mérés beállítása és leolvasása

A refraktométer beállításakor figyelembe kell venni egyrészt az akromatizálódást, másrészt a fénytartomány beállítását a retikulumok kereszteződésében.

A kalibrálási műveletet egyszer és mindenkorra desztillált vízzel végezzük.

Az a gomb, amely a fénytartományt a hálós kereszteződésekbe viszi, a tükör szögére hat, amely a kovakő prizma kimeneténél helyezkedik el. Ez a szög megfelel a fénytörési index skálán megjelenített indexnek, amely a szemlencsében látható.

Két mérleg áll rendelkezésre. Az egyik közvetlenül megadja a törésmutatót (1.300 és 1.700 között). A másik az édes gyümölcslevek szárazanyag-tartalmát adja 0 és 85% között.

A felhasználás korlátai

Egyéb refraktométerek

Változtatható szögű refraktométer

A folyadék párhuzamos lapátfenékkel ellátott tartályban van. Ezt a pengét alulról történő legeltetési incidencia világítja meg. Minden tehát úgy zajlik, mintha a folyadékot a levegő legeltetésénél megvilágították volna. Egy látvány összegyűjti a sugarat és meghatározza annak szögét.

Fischer refraktométer

A Fisher refraktométert az EE Jelly javasolta 1934-ben, és 1950-ben a Fisher Scientific Co. forgalmazta .

Ez egy kis pontosságú refraktométer (négy tizedesjegy), amely képes mérni az indexeket 1,3 és 1,9 között, ami egy kissé szélesebb tartomány, mint a szokásos Abbe refraktométerek. Valójában nem a teljes visszaverődés elvén működik, ezt a refraktométert nem korlátozza a kovakő indexe . Kezdetben a refraktométer 0–80% -os skálán, 1% -os pontossággal jelezte a mintában lévő cukor százalékos arányát is.

Ez a refraktométer folyékony prizmát használ a méréshez: a fény először áthalad egy résen, így kvázi pontforrás áll rendelkezésre. A sugarak ezután áthaladnak a folyékony prizmán. Az így létrehozott virtuális sugár megüt a mérővonalzaton, és így a felhasználó meghatározhatja a törésmutatót.

Eredetileg Fischer ezt a refraktométert ideálisnak mutatta a kémiai vegyületek azonosításához, a biológiai készítmények ellenőrzéséhez és a molekulaszerkezetek tanulmányozásához. A Jelly által tervezett első refraktométer mikroszkóp tárgylemezt használt, és a méréshez milliliter minta kellett. A refraktométer fejlettebb verzióinak csak mikroliterre van szükségük. Ez a kis refraktométer hordozható volt.

Ennek a refraktométernek egy másik változatát melegítővel látták el, amely egyidejűleg mérte a szilárd minta törésmutatóját, olvadáspontját és relatív diszperzióját. A tesztelhető anyagok olvadáspontjának 200  ° C alatt kell lennie . Lehetőség volt a minta tisztaságának mérésére a törésmutatójának a párolgás során bekövetkező változásának mérésével is.

Merülő refraktométer

Carl Pulfrich tervezte 1899-ben, ezt a refraktométert eredetileg Carl Zeiss forgalmazta. Az eredeti javaslatot ezután Lowe javította és 1902-ben hozta piacra. A Bausch & Lomb Optical Co. szintén kifejlesztett egy hasonló rendszert felcserélhető prizmával, hogy növelje az elérhető indexek körét.

Ennek a refraktométernek az az elképzelése, hogy eltávolítsa az Abbe refraktométer felső prizmáját a kóbor sugarak hozzájárulásának kiküszöbölése érdekében. A tesztelni kívánt folyadékba egy klasszikus Abbe refraktométer alsó prizmájával egyenértékű prizmát merítenek. A prizma egy tengelyre van felszerelve, hogy megvilágítható legyen a legeltetési incidenciánál. Amikor ezt az incidenciát elértük, a szemlencsén keresztül világos elválasztás figyelhető meg a megvilágított és a sötét terület között, mint az Abbe refraktométer esetében. Mivel azonban már nincs lehetőség a parazita visszaverődésre, a megjelenő sugár pontosabb és nagyobb nagyítás lehetséges. Ez az eszköz érdeke. Ezért lehetővé teszi, hogy még egy tizedesjegy legyen, mint az Abbe refraktométer esetében.

A merülő refraktométer lehetővé teszi a vízben oldott oldott anyagok mérését, apró, pontosan ismert indexváltozásokat keresve. Élelmiszer-elemzéshez nagyon praktikus. A jelentős nagyítás miatt csak egy kis indextartomány érhető el: 1,325 és 1,367 között.

Ez a refraktométer kalibrálást igényel, így ez csak relatív mérési eszköz. Ezenkívül, mivel az oldat be van itatva, egy ilyen refraktométerhez sokkal nagyobb mennyiségű minta szükséges, mint egy Abbe refraktométerhez.

Pulfrich refraktométer

Ez a pontosság refraktométer célja az volt, 1888 által Carl Pulfrich és forgalmazza Max Wolz in Bonn . Az evolúciót 1895- ben hozták forgalomba , miután Pulfrich csatlakozott Carl Zeisshez . Az 1930-as években Zeiss kiadott egy továbbfejlesztett verziót.

Ennek a refraktométernek az az előnye, hogy minden típusú fényforrással használható, és mind a folyékony, mind a szilárd minta indexét meg lehet mérni.
Magas hőmérsékleten is működhet, és kis indexváltozásokat mérhet.
Pontos négyjegyű a tizedesjegy után (ezért kevésbé precíz, mint például a „merülő refraktométerek”, de rendkívül könnyen használható).

Brice-Phoenix differenciál refraktométer

Ez eltérés refraktométer pontossága körül pontossággal . Ez választott eszközzé teszi a kémiai oldatok koncentrációjának összehasonlítására.

Nagyon különbözik Abbe refraktométerétől, ez egy optikai padra van felszerelve. A higanygőz-fényforrást szűrő követi, majd áthalad a mintán. Az elemzést ezután afokális távcsővel végezzük. Az index méréséhez három különböző színű és pontosan ismert hullámhosszú szűrő szükséges. Mivel az index változása a koncentráció függvényében ( ) arányos a négyzet hullámhosszának inverzével ( ), akkor meghúzhatjuk a vonalat, és megtalálhatjuk a kívánt koncentrációt.

Ez a refraktométer folyékony és szilárd vegyületeket egyaránt képes mérni.

Automata refraktométerek

A mintával érintkező prizma felületén egy LED-es lámpaforrás tükröződik. A prizmaanyag és a minta törésmutatójának különbségétől függően a fény részben átjut, vagy teljesen visszaverődik (Snell törvénye). A teljes visszaverődés kritikus szögét a visszaverődő fény intenzitásának mérésével határozzuk meg a beeső szög függvényében.

Az automatikus refraktométerek automatikusan megmérik a minta törésmutatóját. A minta törésmutatójának automatikus mérése a teljes visszaverődés kritikus szögének meghatározásán alapul.

A fényforrás, általában hosszú élettartamú LED, a prizma felületére fókuszálódik egy lencserendszeren keresztül. Egy interferencia szűrő garantálja a jelzett hullámhosszat. A prizma felületén egy helyen összpontosuló fény miatt a különböző szögek széles skáláját fedik le.

A mért minta közvetlenül érintkezik a mérési prizmával. Törésmutatójától függően a teljes visszaverődés kritikus szöge alatt bejövő fény részben átjut a mintába, míg nagyobb beesési szögeknél a fény teljes mértékben visszaverődik. A beesési szögből visszaverődő fény intenzitásának ezt a különbségét nagy felbontású rács segítségével mérik. A CCD szenzorral mért videojel kiszámítja a minta törésmutatóját.

A mai laboratóriumok nemcsak a törésmutatót, hanem más paramétereket is meg akarnak mérni, például a sűrűséget vagy a viszkozitást a hatékony minőség-ellenőrzés érdekében. Mikroprocesszorainak minősége miatt a refraktométerek képesek kommunikálni olyan számítógépekkel, amelyek képesek vezérelni más műszereket, például sűrűségmérőket, polarimétereket, kolorimétereket. Az adattárolás adatbázisban történik. Ez az alkalmazás nagyon elterjedt a kozmetikumok (parfümök, illóolajok, ...) és a gyógyszeripar területén.

Az automatikus refraktométereket gyakran használják gyógyszerészeti alkalmazásokhoz (a nyersanyagok és a gyártás minőségének ellenőrzése). A gyártási helyeknek be kell tartaniuk bizonyos nemzetközi előírásokat, például az FDA 21 CFR 11. részét, a GMP-t, a Gamp 5-et, az USP <1058> t, amelyek sok dokumentációs munkát igényelnek. Az automatikus refraktométer-adagolók a 21 CFR 11. rész 21 szabványának megfelelő műszerkészletekkel, felhasználói szintekkel, elektronikus aláírással és retrospektív monitorozással segítik a gyógyszergyárakat. Ezek a készletek a következőket tartalmazzák:

Zseb refraktométer

Abbe 1874-es kiadványában bemutatta a zsebrefraktométer modelljét. A gyártók azonban csak az 1950-es években gyártották ezt a hangszert. 1955-ben, a Carl Zeiss ki egy nagyon kompakt modellt réz bevonatú króm egy szem a bakelit . Ez a refraktométer 17 centiméter hosszú, és a cukor koncentrációjának mérésére szolgál. A Bausch & Lomb öt évvel később készített hasonló refraktométert. A világítást a környezeti fény végzi, amelyet narancssárga szűrő alakít át monokromatikus fénnyel . A mérés a szemlencsében történik, és közvetlenül jelzi az oldatban lévő cukor százalékát. Ezután a készülékhez rögzített hőmérőt használják a szükséges korrekciók elvégzésére. A Zeiss- szel ellentétben a tok zománccal borított alumíniumból készül . Két változat készül, az egyik a koncentrációk 0 és 60% közötti, a másik a 40 és 85% közötti koncentrációk mérésére szolgál. A gyártók azt állítják, hogy refraktométereik 0,2% -os pontosságot érnek el.

A zsebrefraktométereket általában a gyümölcslében lévő cukor, de az akkumulátorfolyadékban lévő savak koncentrációjának meghatározására is használják . Előnyük, hogy nagyon tömörek és nagyon kevés mintát igényelnek. Az első modellek nagyon érzékenyek voltak a hőmérsékletre: kis hőmérővel és korrekciós asztalokkal adták el őket. A jelenlegi modellek belső kompenzációs rendszerrel rendelkeznek.

A gazdálkodók körében népszerű, a jelenlegi zsebreferaktométereket úgy kalibrálják, hogy a desztillált víz 0-t és közvetlenül az elemzett gyümölcslevek cukorkoncentrációját mutassa . Az elemzendő gyümölcslevet a prizmára helyezzük, a fedelet lezárjuk és a műszert a fény felé irányítjuk. Ezután elegendő a közvetlen olvasás. Az index változása a hőmérséklettel automatikusan korrigálódik: a kompenzációs egység törésmutatója 0,00045 Celsius-fokonként 20  ° C körül .

Egyéb törésmutató mérések

Elemezhető szubsztrátok

A modern elemzési módszerek sokkal hatékonyabbak, mint a refraktometria. Ez csak akkor releváns, ha ezek a hatékony módszerek nem állnak rendelkezésre, például a terepen, a tudománytörténet egyes szakaszainak megértéséhez, vagy akár oktatási célokra.

A kémiai fajok azonosítása

Mivel a törésmutató táblázatos fizikai-kémiai jellemző sok kémiai faj esetében, ez a technika felhasználható a tiszta termék azonosítására.

Gyümölcsök

A szőlőtermesztésben a szőlőlében levő cukor mennyiségét refraktometriával lehet meghatározni. Teljes erjedés után közvetlenül átalakítható bizonyos fokú alkohollá. Ez a technika kiterjed számos gyümölcs cukorszintjének becslésére és érettségének vizsgálatára.

Ásványok

A finom kő törésmutatója, mint a drágakövek , releváns. A kőnek legalább egy lapos és csiszolt arccal kell rendelkeznie. A folyadékokhoz tervezett Abbe refraktométernek megfelelőnek kell lennie (lásd a szemközti ábrát)

Egyéb felhasználások

Kapcsolódó cikkek

Hivatkozások

  1. Krüss Optronic (en) "Refraktométerek", 1.0 verzió, Hamburg, 2012. június [PDF]
  2. (de) Ernst Abbe , Neue Apparate zur Bestimmung des Brechungs: und Zerstreuungsvermögens Fester und flüssiger Körper , Jena, Mauke féle Verlag,1874
  3. (en) R. Paselk, Robert A. Paselk tudományos eszközmúzeum , Humboldt Állami Egyetem, "  The Chemical Refractometer  " ,2010(megtekintve 2014. június 14-én )
  4. Culmann P (1901). Új refraktométerek. J. Phys. Theor. Appl. 10, 691-704 (1901). http://hal.inria.fr/docs/00/24/05/69/PDF/ajp-jphystap_1901_10_691_1.pdf
  5. Véret C. (2000). Refraktometria és interferometria kémiai elemzésben. Mérnöki technika. Szerződés elemzése és jellemzése. P500-1. https://books.google.fr/books?id=QMaPfYZdv9sC
  6. Robert A. Paselk, „  Fisher refraktométer”, Robert A. Paselk Tudományos Műszer Múzeum ”  ”
  7. Fisher Scientific Co., "  Original Fisher Catalogue  "
  8. Valencien M & Planchaud M. (1923). A rendellenes tejek gyors titrálása refraktometriával, katalozimetriával és alkohol-alizarin teszttel. http://lait.dairy-journal.org/articles/lait/pdf/1923/07/lait_3_1923_7-8_16.pdf
  9. (in) "  ábrája a zsebbe refraktométer modell által tervezett Abbe könyvében Neue Apparate zur Bestimmung a Brechungs - und Zerstreuungsvermögens Fester und flüssiger Körper , Mauke a Verlag, Jena (1874) (8.)  " A http: // humboldt .edu / scimus / RefracExhibit / ChemRefrac.htm ,1874(megtekintve 2014. június 15-én )
  10. (in) "A  Bausch & Lomb kézi refraktométer fényképe a Braun-Knecht-Heiman társkatalógusban. (Van Waters & Rogers, Inc. részleg) 63. katalógus, Laboratóriumi műszerek, készülékek és kellékek. San Francisco. (1961).  » , A http://humboldt.edu/scimus/RefracExhibit/ChemRefrac.htm oldalon ,1960(megtekintve 2014. június 15-én )
  11. (in) "  Robert A. Paselk Tudományos Műszermúzeum, kézi refraktométereknek szentelt oldal  " a következő címen :2010(megtekintve 2014. június 15-én )
  12. Az OPTECH refraktométerek gyártójának utasításai szerint.
  13. SEEGERT (B.), Thesis, Berlin, 1908. Idézi J. VINCENT-GEISSE és J. DAYET, TÖRVÉNYZÉS ÉS ÁTVITEL AZ ABBE REFRAKTOMÉTERMÉRŐ MÓDSZERÉNEK MEGHATÁROZÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSÁRA . LE JOURNAL DE PHYSICS TOME 26., 1965. FEBRUÁR, p.  66-74
  14. Bricout V. és Duclaux J. (1947). Precíziós refraktometria. Refraktometria és vízdiszperzió. http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/23/40/48/PDF/ajp-jphysrad_1947_8_6_185_0.pdf
  15. G. Chain (2000). Szemészet. Ed. Doin.
  16. Ebd-el-latif Amanatullah (1933). A csecsemők vérszérumának refraktometriájáról.