Refractometrie

Refractometrului este o tehnică pe care își propune să determine partea reală a indicelui de refracție al unui material de .

Laborator sau de teren instrumentul utilizat este refractometrul . Majoritatea modelelor actuale măsoară unghiul limită de refracție și apoi derivă indicele de refracție al eșantionului. Indicele este calculat din legea Snell-Descartes și poate fi estimat și din compoziția materiei folosind legea lui Gladstone . Refractometrele moderne oferă rezultate digitale care permit procesarea computerului printr-o interfață standard (Ethernet, USB, RS232).

După calibrare, refractometrul face posibilă cunoașterea concentrației unui dizolvat într-un solvent cunoscut. Acesta este cazul pentru determinarea zahărului din sucul de struguri. În plus, împreună cu măsurătorile temperaturii de fierbere și topire , refractometria este unul dintre cele mai frecvente teste pentru identificarea produselor de sinteză organică .

Istoric

În 1874, Ernst Abbe , care lucra atunci în compania lui Carl Zeiss , a scris o carte în care a prezentat primul său refractometru, o invenție care datează de fapt din 1869. Acest refractometru a funcționat folosind prismele de acoperiș ale lui Amici și poate măsura indicii optici ai lichidelor. variind de la 1,3 la 1,7. Inițial, Carl Zeiss a construit acest tip de instrument într-un număr foarte limitat, strict rezervat pentru utilizarea internă a companiei și pentru câțiva clienți speciali. În 1881, refractometrul lui Abbe a fost deschis publicului și a apărut în catalogul microscoapelor Zeiss. În 1893 și sub conducerea lui Carl Pulfrich , Zeiss a lansat un catalog specializat în instrumentație optică: refractometrele lui Abbe și Wolney sunt personajul principal al acestui catalog. Acest ultim refractometru este specializat în măsurarea indicelui de refracție al grăsimilor comestibile și face posibilă, printre altele, diferențierea ușoară între unt și margarină.

În următoarea jumătate de secol, Carl Zeiss și-a perfecționat echipamentul păstrând același principiu de funcționare. Astfel, din 1882, refractometrul Wolney a văzut scăderea gamei sale de indici optici măsurabili și acest lucru a făcut posibilă adăugarea unui telescop afocal echipat cu un reticul pentru a facilita citirea. Cu ocazia unei expoziții din 1893, vopseaua care acoperea inițial prismele a fost înlocuită cu o placare cu nichel mai rezistentă. În 1899, cadrul a fost rigidizat și însoțit de o oglindă de iluminare mai mare, care a făcut citirea mai clară. În 1911, cadrul a fost reproiectat și are acum o bază de fier vopsită foarte solidă. În același an, Zeiss a lansat un refractometru special conceput pentru a măsura indicele de refracție al zahărului.

La sfârșitul primului război mondial , Carl Zeiss a pierdut monopolul producției de refractometre. În Anglia, de exemplu, multe companii alimentare își dezvoltă propriile refractometre în scopuri de cercetare. Astfel, în anii 1920, trei mari companii au apărut pe piața refractometrelor: Bausch & Lomb Optical Co. ( SUA ), Spencer Lens Company ( SUA ) și Adam Hilger & Co. ( Anglia ). Producțiile lor sunt foarte asemănătoare cu refractometrul inițial Abbe. O a treia companie americană, Warren Valentine Co. (numită după creatorul său) a produs și refractometre după război. Valentine avea nevoie de refractometre în 1917 și nu a putut să le obțină din cauza războiului, și-a creat propria producție de refractometre. Eliberarea primelor sale produse va fi totuși amânată până în 1919, din cauza lipsei de personal calificat și materii prime. Această întârziere îi permite să reproiecteze refractometrul lui Abbe într-o versiune mai precisă, care va deveni refractometrul lui Valentine.

În 1926, un refractometru conceput pentru industria alimentară a făcut posibilă măsurarea atât a indicelui unui zahăr, fie a unui ulei.

În ciuda distrugerii atelierelor lui Carl Zeiss din Jena în timpul celui de-al doilea război mondial , compania a continuat să producă refractometre Abbe după război, care erau foarte recunoscute după forma lor. Întrucât Germania a fost împărțită în două, sucursala Germaniei de Vest s- a separat de firma inițială (Jena era în Germania de Est ) și a decis să refacă designul instrumentelor sale. Rezultatul este o serie de instrumente elegante care permit setarea și citirea indexului printr-un singur ocular. În 1956, Bausch & Lomb Optical Co. a lansat „Abbe 3L”, un refractometru similar. În plus, dispozitivul este electric, iar iluminarea se face printr-o sursă internă. Acest instrument a devenit foarte popular și seamănă foarte mult cu refractometrele actuale.

În jurul anului 1976, American Optical - un succesor al lui Spencer - a introdus pe piață un refractometru Abbe cu citire digitală, un instrument care ar fi de fapt comercializat sub marca Leica .

Refractometru clasic Abbe

Descrierea dispozitivului

Primul refractometru a fost descris în 1874 de către inventatorul său, Ernst Abbe. În studiul său referitor la refractometru din 1901, Culmman a descris acest instrument ca fiind format din două prisme de sticlă de silex care înglobează un strat subțire de 1/20 dintr-un milimetru grosime a lichidului care urmează să fie examinat. Prisma superioară este utilizată numai pentru a crea iluminat de pășunat. Articolul mai recent al lui Véret indică faptul că, în refractometrele moderne, prisma superioară este utilizată pentru iluminare, iar prisma inferioară este cea care permite măsurarea.

Deoarece nu este posibil să existe o singură rază de pășunat care intră în locul potrivit în suportul material de bază, dispozitivul pune în joc un fascicul de lumină a cărui limită este, prin construcție, raza de pășunat. Această perie luminoasă este realizată folosind prisma superioară. Acest fascicul constituie intervalul de lumină a cărui limită va fi ajustată la reticul și va sta la baza măsurării.

Legătura dintre măsură și index

Considerăm o prismă perfect cunoscută (unghiul a de sus, indicele n '), scufundat în aer (de index 1) pe care se depune o picătură de probă necunoscută. De asemenea, considerăm că o rază intră la incidență normală.

În acest cadru, avem următoarele egalități:

Măsurarea poziției reticulului este direct legată de . Cunoașterea permite obținerea . În plus, și oferă acces la , care, combinat cu permite urmărirea înapoi la indexul necunoscut .

Se utilizează în lumină albă

Dispozitivul de bază poate fi utilizat numai cu lumină monocromatică , deoarece indicele unui material, în special cel al sticlei de silex, depinde de lungimea de undă. Într-adevăr, ochelarii de silex au o dispersie ridicată ( numărul Abbe mai mic de 50).

Linia D de sodiu (lungimea de undă 589 nm) a fost aleasă istoric, deoarece este aproape de zona de sensibilitate maximă a ochiului (în verde, în jur de 550 nm). Pentru a lucra în lumină albă, alte două prisme sunt poziționate între sticla de silex și telescopul colimant, astfel încât radiațiile de diferite culori să convergă după trecerea lor. Acest dispozitiv se numește compensator. Astfel, este posibil să aveți un sistem acromatic, care poate fi utilizat în lumină albă.

Refractometrele actuale funcționează în lumină naturală sau cu iluminarea unei lămpi albe. Lumina vine printr-o fereastră de pe fața de intrare a prismei superioare. Partea inferioară a acestuia este mată pentru a evita reflecțiile secundare.

Reglarea și citirea măsurătorii

Reglarea refractometrului trebuie să țină seama, pe de o parte, de acromatizare și, pe de altă parte, de setarea razei de lumină la intersecția reticulelor.

O operație de calibrare se face odată pentru totdeauna cu apă distilată.

Butonul care aduce gama de lumină la intersecția reticulelor acționează asupra unghiului oglinzii plasat la ieșirea prismei de silex. Acest unghi corespunde indicelui afișat pe scala gradată a indicelui de refracție, vizibil în ocular.

Sunt disponibile două cântare. Unul indică direct indicele de refracție (între 1.300 și 1.700). Celălalt oferă, între 0 și 85%, conținutul de substanță uscată al sucurilor dulci.

Limite de utilizare

Alte refractometre

Refractometru cu unghi variabil

Lichidul se află într-un rezervor cu fundul lamei paralel. Această lamă este iluminată sub incidența pășunatului. Prin urmare, totul are loc ca și cum lichidul ar fi iluminat la incidența pășunii din aer. O vedere colectează raza și determină unghiul acesteia.

Refractometru Fischer

Refractometru Refractometrul Fisher a propus EE Jelly în 1934 și comercializat în 1950 de Fisher Scientific Co. .

Este un refractometru cu precizie redusă (patru zecimale) care poate măsura indicii variind de la 1,3 la 1,9, o gamă puțin mai largă decât refractometrele standard Abbe. Într - adevăr, nu funcționează pe principiul reflexiei totale, acest refractometru nu este limitată de indicele de sticlă flint . Inițial, refractometrul a indicat, de asemenea, procentul de zahăr al probei pe o scară de la 0 la 80%, cu o precizie de 1%.

Acest refractometru folosește o prismă lichidă pentru a efectua măsurarea: lumina trece mai întâi printr-o fantă, astfel încât să aibă o sursă cvasipunctuală. Razele trec apoi prin prisma lichidă. Raza virtuală astfel creată lovește rigla de măsurare și, astfel, permite utilizatorului să determine indicele de refracție.

Inițial, Fischer a prezentat acest refractometru ca fiind ideal pentru identificarea compușilor chimici, controlul preparatelor biologice și studiul structurilor moleculare. Primul refractometru proiectat de Jelly a folosit o lamă de microscop și a necesitat un mililitru de probă pentru a efectua măsurarea. Versiunile mai avansate ale acestui refractometru necesită doar un microlitru. Acest refractometru de dimensiuni mici era transportabil.

O altă versiune a acestui refractometru a fost echipată cu un încălzitor pentru a măsura simultan indicele de refracție, punctul de topire și dispersia relativă a unei probe solide. Materiale testabile ar trebui să aibă un punct de topire sub 200  ° C . De asemenea, a fost posibil să se măsoare puritatea probei prin măsurarea modificării indicelui său de refracție în timpul evaporării.

Refractometru de imersie

Proiectat de Carl Pulfrich în 1899, acest refractometru a fost inițial comercializat de Carl Zeiss. Propunerea inițială a fost apoi îmbunătățită de Lowe și lansată pe piață în 1902. Bausch & Lomb Optical Co. a dezvoltat, de asemenea, un sistem similar cu prismă interschimbabilă pentru a crește gama de indici accesibili.

Ideea acestui refractometru este de a elimina prisma superioară a refractometrului Abbe pentru a elimina contribuțiile razelor rătăcite. O prismă, echivalentă cu prisma inferioară a unui refractometru clasic Abbe, este scufundată în lichidul de testat. Prisma este montată pe o axă, astfel încât să poată fi iluminată la incidența pășunatului. Când se atinge această incidență, se observă o separare clară între zona iluminată și zona întunecată prin ocular, ca și în cazul refractometrului Abbe. Cu toate acestea, din moment ce nu mai există posibilitatea reflectării parazitare, raza emergentă este mai precisă și este posibilă o mărire mai mare. Acesta este interesul acestui dispozitiv. Prin urmare, este posibil să aveți încă o zecimală decât pentru refractometrul Abbe.

Refractometrul prin imersie face posibilă măsurarea substanțelor dizolvate dizolvate în apă, fiind apoi căutate variații mici ale indicelui cunoscut. Este foarte practic pentru analiza alimentelor. Datorită măririi considerabile, este accesibil doar un interval mic de indici: între 1,325 și 1,367.

Acest refractometru necesită calibrare, făcându-l un instrument de măsurare relativ. În plus, deoarece este îmbibat în soluție, un astfel de refractometru are nevoie de o cantitate de probă mult mai mare decât un refractometru Abbe.

Refractometru Pulfrich

Acest refractometru de precizie a fost proiectat în 1888 de Carl Pulfrich și distribuit de Max Wolz în Bonn . O evoluție a fost comercializată în 1895 , după ce Pulfrich s-a alăturat lui Carl Zeiss . În anii 1930 , Zeiss a lansat o versiune îmbunătățită.

Acest refractometru are avantajul de a putea fi utilizat cu toate tipurile de surse de lumină și de a măsura indicele atât al probelor lichide, cât și al probelor solide.
De asemenea, poate funcționa la temperaturi ridicate și poate măsura variații mici ale indicelui.
Este precis la patru cifre după punctul zecimal (deci mai puțin precis decât „refractometrele de imersie” de exemplu, dar extrem de ușor de utilizat).

Refractometru diferențial Brice-Phoenix

Acest refractometru diferențial are o precizie în jur cu o precizie de . Acest lucru îl face un instrument de alegere pentru compararea concentrației soluțiilor chimice.

Foarte diferit de refractometrul lui Abbe, acesta este montat pe o bancă optică. O sursă de lumină cu vapori de mercur este urmată de un filtru și apoi trece prin probă. Analiza este apoi efectuată cu ajutorul unui telescop afocal. O măsurare a indicelui necesită utilizarea a trei filtre de culori diferite și de lungime de undă cunoscută cu precizie. Deoarece variația indicelui în funcție de concentrație ( ) este proporțională cu inversa lungimii de undă pătrată ( ), putem trage apoi linia și găsi concentrația dorită.

Acest refractometru poate măsura atât compuși lichizi, cât și solizi.

Refractometre automate

O sursă de lampă LED este reflectată pe suprafața unei prisme care este în contact cu o probă. În funcție de diferența de indice de refracție dintre materialul prismei și eșantion, lumina este parțial transmisă sau reflectată total (legea lui Snell). Unghiul critic al reflexiei totale este determinat prin măsurarea intensității luminii reflectate în funcție de unghiul incident.

Refractometrele automate măsoară automat indicele de refracție al unei probe. Măsurarea automată a indicelui de refracție al eșantionului se bazează pe determinarea unghiului critic de reflexie totală.

O sursă de lumină, de obicei LED de lungă durată, este focalizată pe o suprafață prismatică printr-un sistem de lentile. Un filtru de interferență garantează lungimea de undă indicată. Datorită concentrării luminii într-un singur loc pe suprafața prismei, sunt acoperite o gamă largă de unghiuri diferite.

Proba măsurată este în contact direct cu prisma de măsurare. În funcție de indicele său de refracție, lumina care intră sub unghiul critic de reflecție totală este parțial transmisă în probă, în timp ce la unghiuri mai mari de incidență, lumina este reflectată pe deplin. Această diferență în intensitatea luminii reflectate din unghiul incident este măsurată cu o rețea de înaltă rezoluție. Semnalul video măsurat cu senzorul CCD calculează indicele de refracție al probei.

Laboratoarele de astăzi doresc să măsoare nu numai indicele de refracție, ci și alți parametri, cum ar fi densitatea sau vâscozitatea, pentru a efectua controale de calitate eficiente. Datorită calității microprocesoarelor lor, refractometrele sunt capabile să comunice cu computerele care pot controla alte instrumente precum densimetre, polarimetri, colorimetri. Stocarea datelor se efectuează într-o bază de date. Această aplicație este foarte răspândită în domeniul produselor cosmetice (parfumuri, uleiuri esențiale, ...) și în industria farmaceutică.

Refractometrele automate sunt adesea utilizate pentru aplicații farmaceutice (controlul calității materiilor prime și producție). Unitățile de producție trebuie să respecte anumite reglementări internaționale, cum ar fi FDA 21 CFR Partea 11, GMP, Gamp 5, USP <1058>, care necesită o mulțime de lucrări documentare. Distribuitoarele automate de refractometre ajută site-urile farmaceutice, oferind seturi de instrumente care îndeplinesc standardele 21 CFR Partea 11, cu niveluri de utilizator, semnătură electronică și monitorizare retrospectivă. Aceste seturi conțin:

Refractometru de buzunar

În publicația sa din 1874, Abbe a prezentat un model de refractometru de buzunar. Cu toate acestea, abia în anii 1950 producătorii au produs acest instrument. În 1955, Carl Zeiss a lansat un model foarte compact de crom placat cu cupru cu un ochi în bakelită . Acest refractometru are o lungime de 17 centimetri și este destinat măsurării concentrației zahărului. Bausch & Lomb a produs un refractometru similar cinci ani mai târziu. Iluminarea se face prin lumină ambientală care este transformată în lumină monocromatică printr-un filtru portocaliu. Măsurarea se face în ocular și indică direct procentul de zahăr din soluție. Un termometru atașat la dispozitiv este apoi utilizat pentru a face corecțiile necesare. Spre deosebire de cea a lui Zeiss, carcasa este din aluminiu acoperit cu smalț . Sunt produse două versiuni, una pentru măsurarea concentrațiilor între 0 și 60%, cealaltă între 40 și 85%. Producătorii susțin că refractometrele lor ating o precizie de 0,2%.

Refractometrele de buzunar sunt utilizate în mod obișnuit pentru a determina concentrația zahărului din sucurile de fructe, dar și a acizilor din lichidul bateriei . Au avantajul că sunt foarte compacte și necesită foarte puține eșantioane. Primele modele au fost foarte sensibile la temperatură: au fost vândute cu un termometru mic și tabele de corecție. Modelele actuale au un sistem de compensare intern.

Populare printre fermieri, refractometrele actuale de buzunar sunt calibrate astfel încât să afișeze 0 pentru apa distilată și direct concentrația de zahăr pentru sucurile de fructe analizate. Sucul de analizat este plasat pe prismă, capacul este închis și instrumentul este îndreptat spre lumină. Atunci este suficient să faceți o lectură directă. Variația indicelui de temperatură este corectată automat: unitatea de compensare este 0,00045 în indicele de refracție per grad Celsius în jurul valorii de 20  ° C .

Alte măsurători ale indicelui de refracție

Substraturi analizate

Metodele moderne de analiză sunt mult mai eficiente decât refractometria. Acest lucru este relevant numai în absența disponibilității acestor metode eficiente, de exemplu în domeniu, pentru a înțelege anumite etape din istoria științei sau chiar în scopuri educaționale.

Identificarea speciilor chimice

Indicele de refracție fiind o caracteristică fizico-chimică tabelată pentru multe specii chimice, această tehnică poate fi utilizată pentru a identifica un produs pur.

Fructe

În viticultură, cantitatea de zahăr din sucul de struguri poate fi determinată prin refractometrie. Este direct convertibil într-un grad de alcool după fermentarea completă. Această tehnică se extinde la estimarea nivelului de zahăr al multor fructe și la studiul maturității acestora.

Minerale

Indicele de refracție al unei pietre fine, cum ar fi pietre prețioase , este relevant. Piatra trebuie să aibă cel puțin o față plată și lustruită. Refractometrul Abbe proiectat pentru lichide trebuie să fie adecvat (a se vedea figura de mai jos)

Alte utilizări

Articole similare

Referințe

  1. Krüss Optronic (ro) "Refractometre", versiunea 1.0, Hamburg, iunie 2012 [PDF]
  2. (de) Ernst Abbe , Neue Apparate zur Bestimmung des Brechungs: und Zerstreuungsvermögens fester und flüssiger Körper , Jena, Mauke's Verlag,1874
  3. (ro) R. Paselk, Robert A. Paselk Muzeul Instrumentelor Științifice , Universitatea de Stat Humboldt, „  Refractometrul chimic  ” ,2010(accesat la 14 iunie 2014 )
  4. Culmann P (1901). Refractometre noi. J. Phys. Teoretic. Aplic. 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). Refractometrie și interferometrie în analiza chimică. Tehnica inginerească. Analiza și caracterizarea tratatului. P500-1. https://books.google.fr/books?id=QMaPfYZdv9sC
  6. Robert A. Paselk, „ Refractometru Fisher ”  , „Muzeul instrumentelor științifice Robert A. Paselk”  ”
  7. Fisher Scientific Co., „  Catalogul original Fisher  ”
  8. Valencien M & Planchaud M. (1923). Titrarea rapidă a laptelui anormal prin refractometrie, catalozimetrie și testul alcool-alizarină. http://lait.dairy-journal.org/articles/lait/pdf/1923/07/lait_3_1923_7-8_16.pdf
  9. (în) „  Diagrama acelui model de refractometru de buzunar proiectat de Abbe în cartea sa Neue Apparate zur Bestimmung of Brechungs - und Zerstreuungsvermögens fester und flüssiger Körper , Mauke's Verlag, Jena (1874) (Fig. 8)  ” pe http: // humboldt .edu / scimus / RefracExhibit / ChemRefrac.htm ,1874(accesat la 15 iunie 2014 )
  10. (în) „  Foto a refractometrului portabil Bausch & Lomb din co-catalogul Braun-Knecht-Heiman. (Divizia Van Waters & Rogers, Inc.) Catalog nr. 63, Aparate și consumabile pentru instrumente de laborator. San Francisco. (1961).  » , Pe http://humboldt.edu/scimus/RefracExhibit/ChemRefrac.htm ,1960(accesat la 15 iunie 2014 )
  11. (în) „  Robert A. Paselk Scientific Instrument Museum, pagina dedicată refractometrelor portabile  ” pe http://humboldt.edu/scimus/RefracExhibit/ChemRefrac.htm ,2010(accesat la 15 iunie 2014 )
  12. Conform instrucțiunilor producătorului de refractometre OPTECH.
  13. SEEGERT (B.), Teză, Berlin, 1908. Citat de J. VINCENT-GEISSE și J. DAYET, REFLECȚIE ȘI TRANSMISIE PE SUPRAFATA UNEI APLICAȚII MEDII ABSORBENTE LA STUDIUL CRITIC AL METODEI DE REFRACTOMETRU A ABBEIEI PENTRU DETERMINAREA REFRACȚIEI . LE JOURNAL DE PHYSICS TOME 26, FEBRUARIE 1965, p.  66-74
  14. Bricout V. și Duclaux J. (1947). Refractometrie de precizie. Refractometrie și dispersia apei. http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/23/40/48/PDF/ajp-jphysrad_1947_8_6_185_0.pdf
  15. G. Chain (2000). Oftalmologie. Ed. Doin.
  16. Ebd-el-latif Amanatullah (1933). La refractometria serului sanguin la sugari.