Advies
Alles wat u moet weten over refractometers
Een refractometer wordt gebruikt om de specifieke breking van transparante vloeistoffen of materialen te meten. De aldus bepaalde brekingsindex kan worden gebruikt om ingrediënten of materiaaleigenschappen te bepalen.
Ontdek op deze pagina hoe deze testtoestellen werken, waar en hoe ze te gebruiken en waar u op moet letten bij de aankoop ervan.
In de optica is de refractoindex van een transparant materiaal een dimensieloos getal. Het beschrijft hoe snel licht door het materiaal beweegt. De index van water is bijvoorbeeld 1,333. Dit betekent dat licht in een vacuüm 1,333 keer sneller beweegt dan in water. Een stijgende index komt overeen met een dalende lichtsnelheid in het materiaal.
De index wordt berekend aan de hand van de sterkte van lichtdiffractie, breking en reflectie op het grensvlak tussen twee media. De index varieert met de golflengte, zodat bijvoorbeeld wit licht bij breking in afzonderlijke kleuren verschijnt. Deze zogenaamde dispersie kan worden waargenomen in prisma's en regenbogen en als chromatische aberratie in lenzen. Bij de meeste materialen verandert de brekingsindex in het zichtbare spectrum enkele procenten met de golflengte. Niettemin worden brekingsindices voor materialen gewoonlijk gegeven met een enkele waarde voor de index "n", meestal gemeten bij 633 nanometer in het rode bereik van zichtbaar licht.
Het principe geldt overigens voor het hele elektromagnetische spectrum, van röntgenstraling tot radiogolven.
Het principe is vrij eenvoudig: om de index te bepalen wordt licht tegelijkertijd door een glazen prisma met bekende brekingseigenschappen en het monster - bijvoorbeeld een oplossing - gestuurd. Wanneer licht uit de lucht door het monster gaat, vertraagt het en creëert het de illusie van een bocht, waarbij de sterkte van de bocht afhangt van de hoeveelheid stof die in de vloeistof is opgelost. Bijvoorbeeld de hoeveelheid suiker in een glas water.
Op het punt waar het prisma en de oplossing elkaar raken, wordt de meting gedaan. In een oplossing met een lage concentratie is de breking van het licht in het prisma veel groter dan in het monster, wat resulteert in een grote brekingshoek en een lage aflezing. Het tegenovergestelde zou gebeuren bij een sterk geconcentreerde oplossing. Afhankelijk van het type monster zijn er drie verschillende soorten verlichting: doorvallend licht, grazing incidence of totale reflectie.
Invloed van de golflengte op de meting
De brekingsindex van een bepaald monster varieert voor alle materialen met de golflengte van het licht. Deze dispersieverhouding is niet-lineair en karakteristiek voor elk materiaal. In het zichtbare bereik gaat een afname van de brekingsindex gepaard met een toename van de golflengte; in het infrarode golflengtegebied komen zelfs verschillende absorptiemaxima en schommelingen voor.
Voor een hoogwaardige meting met een nauwkeurigheid tot 0,00002 in de brekingsindex moet de golflengte correct worden bepaald. In moderne refractometers kan de golflengte dus worden afgestemd op een bandbreedte van plus/minus 0,2 nanometer.
Invloed van de temperatuur op de meting
De temperatuur heeft een grote invloed op de meting van de brekingsindex. Voor een exacte bepaling moeten het prisma en het monster dezelfde temperatuur hebben. Sommige apparaten passen zich automatisch aan via verwarmings- of koelelementen of wiskundig via interne referentietabellen, de zogenaamde automatische temperatuurcompensatie, afgekort ATC. Bij eenvoudige apparaten zonder ATC moeten de verschillende temperaturen door de bediener met behulp van tabellen worden herleid tot de standaardwaarde van 20 °C.
Het assortiment refractiemeetinstrumenten is verdeeld in vier hoofdtypen: traditionele analoge handrefractometers, digitale handrefractometers, laboratoriumrefractometers of Abbe refractometers - genoemd naar Ernst Abbe, de uitvinder van het instrument - en inline procesrefractometers. Afhankelijk van het ontwerp wordt de breking weergegeven op een schaal met een scherpe licht-donker overgang in de doorvallend-licht weergave. Digitale refractometers tonen de waarde op een LC-display.
Automatische digitale refractometers bepalen automatisch de index van een monster op basis van de hoek van totale interne reflectie. Een lichtbron, gewoonlijk een LED met lange levensduur, wordt via een lenssysteem op een prismatisch oppervlak gericht. Een interferentiefilter garandeert de gespecificeerde golflengte. Door het licht te richten op een punt van het prismaoppervlak wordt dus een groot aantal verschillende hoeken bestreken.
Typische toepassingsgebieden
In de laboratoriumgeneeskunde wordt een refractometer gebruikt om het totale plasma-eiwit in een bloedmonster en het soortelijk gewicht van de urine in een urinemonster te bepalen.
In de medicijndiagnostiek wordt een refractiemeter gebruikt om het soortelijk gewicht van menselijke urine te bepalen.
In de gemmologie is de brekingsmeter een van de basisinstrumenten. Edelstenen zijn transparante mineralen en kunnen daarom met optische methoden worden onderzocht.
In de zeeaquaristiek kan het zoutgehalte en het gewicht van het water worden gemeten.
In de automobielindustrie meet het apparaat de concentratie van de koelvloeistof.
- Bij het brouwen van bier wordt een refractometer gebruikt om het soortelijk gewicht van het brouwsel te bepalen vóór de gisting. Zo kan de hoeveelheid vergistbare suikers worden bepaald die potentieel in alcohol kunnen worden omgezet.
Graad Brix (symbool °Bx) is het suikergehalte van een waterige oplossing. Eén graad Brix komt overeen met 1 gram sacharose in 100 gram oplossing en vertegenwoordigt de sterkte van de oplossing in massaprocent.
Brix wordt gebruikt in de levensmiddelenindustrie bij het meten van het suikergehalte in fruit, groenten, sappen, wijn, frisdranken en in de zetmeel- en suikerindustrie. Voor vruchtensappen wordt 1,0 graad Brix aangeduid als 1,0 massaprocent suiker. Dit komt meestal goed overeen met de waargenomen zoetheid.
De beslissende criteria voor de aanschaf van een refractometer zijn enerzijds het soort monsters, anderzijds de frequentie van de metingen binnen korte perioden en de keuze tussen een analoge of een digitale refractometer.
Voor metingen met een lage tot gemiddelde verwerkingscapaciteit volstaan meestal analoge refractometers op basis van het Abbe-principe. Dit zijn zuiver optische meetinstrumenten, die bijvoorbeeld worden gebruikt bij de Brix-meting. Hier wordt een druppel van de monsteroplossing op een prisma geplaatst en het resultaat is te zien door een oculair. De kritische hoek - de hoek waarboven het licht volledig wordt teruggekaatst in het monster - is een functie van de index. De operator herkent deze hoek aan de positie van de donker-heldere grens op de schaal, die gekalibreerd kan worden in Brix of Index.
Vaak bevat de prisma-aansluiting een thermometer. Indien de meting niet op precies 20 °C kan worden verricht, kan de waarde van de thermometer worden gebruikt om de index te corrigeren. Brix-meters zijn verkrijgbaar in een tafelmodel en een handmodel.
Automatische digitale refractometers daarentegen meten de index van een monster volledig onafhankelijk, op basis van de kritische hoek van totale interne reflectie. Een lichtbron, gewoonlijk een LED met lange levensduur, wordt via een lenssysteem op een prismatisch oppervlak gericht. Een interferentiefilter garandeert de gespecificeerde golflengte. Door het licht te richten op een punt op het prismaoppervlak wordt een groot aantal verschillende hoeken bestreken.
Afhankelijk van hun index wordt licht dat onder de kritische hoek van totale interne reflectie valt, gedeeltelijk doorgelaten in het monster, terwijl bij hogere invalshoeken het licht volledig wordt gereflecteerd. Deze afhankelijkheid van de gereflecteerde lichtintensiteit van de invalshoek wordt gemeten met een beeldsensor met hoge resolutie. De index van het monster kan worden berekend uit het met de sensor gemaakte beeld.
Als in korte tijd zeer veel monsters automatisch moeten worden gemeten, kunnen moderne automatische refractometers worden gecombineerd met een monsterwisselaar. De refractometer bestuurt de wisselaar en zorgt zo voor een hoge meetdoorvoer.
Veel laboratoria willen niet alleen de index van vloeistoffen meten, maar ook diverse aanvullende parameters zoals dichtheid of viscositeit. Dankzij microprocessorbesturing en een aantal interfaces kunnen automatische refractometers communiceren met computers of andere meettoestellen, zoals dichtheidstesters, pH-meters of viscositeitsmeters, om de waarden op te slaan in een database.
Hoe kunnen analoge refractometers worden geijkt?
Hiervoor is een ijkvloeistof nodig, die gewoonlijk bij de refractometer wordt geleverd. Het apparaat kan ook als het ware worden gekalibreerd met huismiddeltjes, afhankelijk van het soort monster. De Brix-waarde van honing kan bijvoorbeeld worden bepaald met zuivere kruidnagelolie, aangezien deze olie precies overeenkomt met het watergehalte van honing van 19,6 procent. Als alternatief kan voor de ijking gedistilleerd water worden gebruikt. Door door de refractometer te kijken kan worden vastgesteld of de grens van 0 procent op de verwachte waarde ligt.
Hoe kunnen analoge refractometers worden geijkt?
Hiervoor is een ijkvloeistof nodig, die gewoonlijk bij de refractometer wordt geleverd. Het apparaat kan ook als het ware worden gekalibreerd met huismiddeltjes, afhankelijk van het soort monster. De Brix-waarde van honing kan bijvoorbeeld worden bepaald met zuivere kruidnagelolie, aangezien deze olie precies overeenkomt met het watergehalte van honing van 19,6 procent. Als alternatief kan voor de ijking gedistilleerd water worden gebruikt. Door door de refractometer te kijken kan worden vastgesteld of de grens van 0 procent op de verwachte waarde ligt.