Un refractómetro es un dispositivo de laboratorio o de campo para medir un índice de refracción ( refractometría ). El índice de refracción se calcula a partir del ángulo de refracción observado utilizando la ley de Snell . Para las mezclas, el índice de refracción permite determinar la concentración utilizando reglas de mezcla como la relación de Gladstone-Dale y la ecuación de Lorentz-Lorenz .
Los refractómetros estándar miden el grado de refracción de la luz (como parte de un índice de refracción) de sustancias transparentes en un líquido. Luego se usa para identificar una muestra líquida, analizar la pureza de la muestra y determinar la cantidad o concentración de sustancias disueltas dentro. la muestra. A medida que la luz pasa a través del líquido desde el aire, se ralentizará y creará una ilusión de "flexión", la gravedad de la "flexión" dependerá de la cantidad de sustancia disuelta en el líquido. Por ejemplo, la cantidad de azúcar en un vaso de agua. [1]
Hay cuatro tipos principales de refractómetros: refractómetros de mano tradicionales , refractómetros de mano digitales , refractómetros de laboratorio o de Abbe (llamados así por el inventor del instrumento y basados en el diseño original del 'ángulo crítico' de Ernst Abbe) y refractómetros de proceso en línea . [2] También existe el refractómetro Rayleigh que se utiliza (normalmente) para medir los índices de refracción de los gases.
En medicina de laboratorio , se utiliza un refractómetro para medir la proteína plasmática total en una muestra de sangre y la gravedad específica de la orina en una muestra de orina.
En el diagnóstico de drogas , se utiliza un refractómetro para medir la gravedad específica de la orina humana.
En gemología , el refractómetro de piedras preciosas es uno de los equipos fundamentales que se utilizan en un laboratorio gemológico. Las piedras preciosas son minerales transparentes y, por tanto, pueden examinarse mediante métodos ópticos. El índice de refracción es una constante del material que depende de la composición química de una sustancia. El refractómetro se utiliza para ayudar a identificar los materiales de las gemas midiendo su índice de refracción, una de las principales propiedades utilizadas para determinar el tipo de piedra preciosa. Debido a la dependencia del índice de refracción de la longitud de onda de la luz utilizada ( es decir, la dispersión ), la medición normalmente se toma a la longitud de onda de la línea D del sodio (Na D ) de ~589 nm. Esta se filtra de la luz del día o se genera con un diodo emisor de luz ( LED ) monocromático. Ciertas piedras como los rubíes, los zafiros, las turmalinas y los topacios son ópticamente anisotrópicas . Demuestran birrefringencia basada en el plano de polarización de la luz. Los dos índices de refracción diferentes se clasifican mediante un filtro de polarización . Los refractómetros para piedras preciosas están disponibles como instrumentos ópticos clásicos y como dispositivos de medición electrónicos con pantalla digital . [3]
En el mantenimiento de acuarios marinos , se utiliza un refractómetro para medir la salinidad y la gravedad específica del agua.
En la industria del automóvil , se utiliza un refractómetro para medir la concentración de refrigerante.
En la industria de la maquinaria , se utiliza un refractómetro para medir la cantidad de refrigerante concentrado que se ha añadido al refrigerante a base de agua para el proceso de mecanizado.
En la elaboración de cerveza casera , se utiliza un refractómetro de elaboración de cerveza para medir la gravedad específica antes de la fermentación y determinar la cantidad de azúcares fermentables que potencialmente se convertirán en alcohol.
Los aficionados suelen utilizar los refractómetros Brix para hacer conservas, como mermeladas y miel. En apicultura , se utiliza un refractómetro brix para medir la cantidad de agua en la miel.
Los refractómetros automáticos miden automáticamente el índice de refracción de una muestra. La medición automática del índice de refracción de la muestra se basa en la determinación del ángulo crítico de reflexión total. Una fuente de luz, normalmente un LED de larga duración, se enfoca sobre la superficie de un prisma mediante un sistema de lentes. Un filtro de interferencias garantiza la longitud de onda especificada. Al enfocar la luz en un punto de la superficie del prisma, se cubre una amplia gama de ángulos diferentes. Como se muestra en la figura "Configuración esquemática de un refractómetro automático", la muestra medida está en contacto directo con el prisma de medición. Dependiendo de su índice de refracción, la luz entrante por debajo del ángulo crítico de reflexión total se transmite parcialmente a la muestra, mientras que para ángulos de incidencia más altos la luz se refleja totalmente. Esta dependencia de la intensidad de la luz reflejada con respecto al ángulo de incidencia se mide con un conjunto de sensores de alta resolución . A partir de la señal de vídeo tomada con el sensor CCD se puede calcular el índice de refracción de la muestra. Este método de detectar el ángulo de reflexión total es independiente de las propiedades de la muestra. Incluso es posible medir el índice de refracción de muestras ópticamente densas y fuertemente absorbentes o de muestras que contienen burbujas de aire o partículas sólidas. Además, sólo se necesitan unos pocos microlitros y la muestra se puede recuperar. Esta determinación del ángulo de refracción es independiente de las vibraciones y otras perturbaciones ambientales.
El índice de refracción de una muestra determinada varía con la longitud de onda de todos los materiales. Esta relación de dispersión no es lineal y es característica de cada material. En el rango visible, una disminución del índice de refracción se produce a medida que aumenta la longitud de onda. En los prismas de vidrio se observa muy poca absorción. En el rango de longitudes de onda infrarrojas aparecen varios máximos de absorción y fluctuaciones en el índice de refracción. Para garantizar una medición de alta calidad con una precisión de hasta 0,00002 en el índice de refracción, la longitud de onda debe determinarse correctamente. Por lo tanto, en los refractómetros modernos la longitud de onda se ajusta a un ancho de banda de +/-0,2 nm para garantizar resultados correctos para muestras con diferentes dispersiones.
La temperatura tiene una influencia muy importante en la medición del índice de refracción. Por lo tanto, la temperatura del prisma y la temperatura de la muestra deben controlarse con alta precisión. Hay varios diseños sutilmente diferentes para controlar la temperatura; pero hay algunos factores clave comunes a todos, como los sensores de temperatura de alta precisión y los dispositivos Peltier para controlar la temperatura de la muestra y el prisma. El control de temperatura de estos dispositivos debe diseñarse de modo que la variación en la temperatura de la muestra sea lo suficientemente pequeña como para no causar un cambio detectable en el índice de refracción.
Antiguamente se utilizaban baños de agua externos, pero ya no son necesarios.
Los refractómetros automáticos son dispositivos electrónicos controlados por microprocesador. Esto significa que pueden tener un alto grado de automatización y también combinarse con otros dispositivos de medición.
Hay diferentes tipos de celdas de muestra disponibles, desde una celda de flujo para unos pocos microlitros hasta celdas de muestra con un embudo de llenado para un intercambio rápido de muestras sin limpiar el prisma de medición en el medio. Las celdas de muestra también se pueden utilizar para medir muestras venenosas y tóxicas con una exposición mínima a la muestra. Las microceldas requieren solo unos pocos microlitros de volumen, aseguran una buena recuperación de muestras costosas y evitan la evaporación de muestras volátiles o disolventes. También se pueden utilizar en sistemas automatizados para el llenado automático de la muestra en el prisma del refractómetro. Para un llenado cómodo de la muestra a través de un embudo, se encuentran disponibles celdas de flujo con embudo de llenado. Se utilizan para un rápido intercambio de muestras en aplicaciones de control de calidad.
Una vez que un refractómetro automático está equipado con una celda de flujo, la muestra se puede llenar mediante una jeringa o utilizando una bomba peristáltica. Los refractómetros modernos tienen la opción de llevar incorporada una bomba peristáltica. Esto se controla a través del menú del software del instrumento. Una bomba peristáltica abre el camino para monitorear procesos por lotes en el laboratorio o realizar múltiples mediciones en una muestra sin interacción del usuario. Esto elimina el error humano y garantiza un alto rendimiento de muestras.
Si se requiere una medición automatizada de una gran cantidad de muestras, los refractómetros automáticos modernos se pueden combinar con un cambiador de muestras automático. El cambiador de muestras está controlado por el refractómetro y asegura mediciones totalmente automatizadas de las muestras colocadas en los viales del cambiador de muestras para realizar mediciones.
Los laboratorios actuales no solo quieren medir el índice de refracción de las muestras, sino también varios parámetros adicionales como la densidad o la viscosidad para realizar un control de calidad eficiente. Gracias al control por microprocesador y a una serie de interfaces, los refractómetros automáticos pueden comunicarse con ordenadores u otros dispositivos de medición, por ejemplo densímetros, medidores de pH o medidores de viscosidad, para almacenar datos de índice de refracción y datos de densidad (y otros parámetros) en una base de datos. .
Los refractómetros automáticos no solo miden el índice de refracción, sino que también ofrecen muchas funciones de software adicionales, como
Los refractómetros se utilizan a menudo en aplicaciones farmacéuticas para el control de calidad de productos crudos intermedios y finales. Los fabricantes de productos farmacéuticos deben seguir varias regulaciones internacionales como FDA 21 CFR Parte 11, GMP, Gamp 5, USP<1058>, que requieren mucho trabajo de documentación. Los fabricantes de refractómetros automáticos apoyan a estos usuarios proporcionándoles que el software del instrumento cumpla con los requisitos de 21 CFR Parte 11, con niveles de usuario, firma electrónica y registro de auditoría. Además, se encuentran disponibles paquetes de calificación y validación farmacéutica que contienen
