رفراکتومتر چیست و چه کاربردی دارد؟
با کاهش سرعت و تغییر جهت نور، هنگام حرکت از هوا به محیط سیال، پدیده‌ی شکست نور رخ می‌دهد. از آنجایی که نور هنگام عبور از جامدات معلق در مایع (مانند نمک‌ها یا قندها) بیشتر شکسته می‌شود، از پدیده‌ی شکست نور می‌توان برای اندازه‌گیری غلظت محلول مایع استفاده کرد.
رفراکتومتر یا شکست‌سنج (refractometer) یکی از ابزارهای آزمایشگاهی است که جهت اندازه‌گیری ضریب شکست و اندازه‌گیری غلظت مایع به کار می‌رود. در این مطلب قصد داریم مروری بر عملکرد رفراکتومترها و انواع آن داشته باشیم. پس در ادامه با ما همراه باشید.
تعریف رفراکتومتری
همانطور که نور از مایع عبور می‌کند، سرعت آن کاهش می‌یابد و یک خطای دید از شکست ایجاد می‌کند. شدت این شکست به مقدار ماده حل شده در مایع بستگی دارد. (به طور مثال مقدار شکر در یک لیوان آب). رفراکتومتری شاخه‌ای از علوم آزمایشگاهی است که میزان شکست نور مواد شفاف را در حالت مایع یا جامد اندازه‌گیری می‌کند. سپس از این میزان شکست برای شناسایی نمونه، تجزیه و تحلیل خلوص آن و تعیین غلظت مواد محلول در نمونه استفاده می‌شود.
کاربرد رفراکتومتر در حوزه‌های مختلف
- رفراکتومترها ابزارهایی هستند که کاربرد بسیار متنوعی در آزمایشگاه‌های مختلف دارند. در ادامه مروری بر برخی از کاربردهای رایج این ابزار آزمایشگاهی خواهیم داشت.
- در آزمایشگاه‌های تشخیص طبی از رفراکتومتر برای اندازه‌گیری پروتئین توتال در نمونه خون استفاده می‌شود.
- در آزمایشگاه‌ها، به ویژه آزمایشگاه‌های سم‌شناسی، از رفراکتومترها جهت سنجش وزن مخصوص ادرار (specific gravity) در نمونه ادرار استفاده می‌شود.
- رفراکتومترها یکی از تجهیزات اساسی مورد استفاده در آزمایشگاه‌های گوهرشناسی هستند. سنگ‌های قیمتی در واقع نوعی کانی شفاف هستند و بنابراین با استفاده از روش‌های نوری قابل بررسی می‌باشند. از آنجایی که ضریب شکست یک ماده ثابت بوده و به ترکیب شیمیایی آن ماده بستگی دارد، ضریب شکست یکی از ویژگی‌های اصلی مورد استفاده در تعیین نوع سنگ قیمتی است. رفراکتومترهای جواهر ممکن است شامل فیلترهای پلاریزاسیون نیز باشند.
- در فروشگاه‌های آکواریوم، از رفراکتومتر برای اندازه گیری شوری و وزن مخصوص آب استفاده می‌شود.
- رفراکتومترها در صنعت خودروسازی برای اندازه گیری غلظت مایع خنک کننده کاربرد دارند.
انواع رفراکتومتر
رفراکتومترها، علاوه‌بر کاربرد وسیع، در انواع مختلفی نیز عرضه می‌شوند.
۱. رفراکتومترهای دستی:
رفراکتومترهای دستی یا آنالوگ برای عملکرد به منبع تغذیه نیاز ندارند. برای تعیین غلظت محلول در این مدل رفراکتومترها کافی است چند قطره از محلول روی منشور ریخته و درپوش آن را ببندید. سپس رفراکتومتر عمود بر منبع نور (مانند خورشید) نگه داشته دارید و از قسمت چشمی درون رفراکتومتر را نگاه کنید. نور از طریق مایع شکسته می‌شود. بخشی که قسمت‌های تیره و روشن به هم رسیده‌اند، عدد مورد نظر را نشان می‌دهد. (شکل 1)
۲. رفراکتومترهای دیجیتالی:
رفراکتومترهای دیجیتال اساساً به همان روش رفراکتومترهای آنالوگ کار می‌کنند. اما در رفراکتومترهای دیجیتال به‌جای اینکه رفراکتومتر به سمت نور نگه داشته شود، معمولاً یک منبع نور LED در دستگاه تعبیه می‌شود و عدد روی نمایشگر قابل مشاهده خواهد بود.( شکل 2) به این ترتیب با کنترل دقیق‌تر طول موج، دقت اندازه‌گیری نیز بهبود می‌یابد.
3. رفراکتومترهای آزمایشگاهی (Abbe):
رفراکتومترهای آزمایشگاهی با نام Abbe نیز شناخته می‌شوند. این نامگذاری به نام مخترع ابزار (Ernst Abbe) است: رفراکتومترهای Abbe ابزارهای رومیزی هستند که برای اندازه‌گیری دقیق‌تر طراحی شده‌اند و معمولاً شامل کنترل دمای نمونه نیز می‌شوند. رفراکتومترهای Abbe همچنین دارای آرایش نوری هستند که برای حذف خطای ناشی از زوایای دید مختلف طراحی شده است.
4. رفراکتومترهای درون خطی (inline process refractometers)
رفراکتومترهای درون خطی اغلب در خطوط لوله تاسیسات تولید به منظور کنترل و تنظیم فرآیندهای غلظت و اختلاط نصب می‌شوند.
طبقه‌بندی رفراکتومترها بر اساس مقیاس
اگر بخواهیم نگاه دقیق‌تری به رفراکتومترها داشته باشیم، متوجه خواهیم شد که مقیاس‌ها یا واحدهای اندازه‌گیری مختلفی برای رفراکتومترها وجود دارد. در ادامه به بررسی انواع رفراکتومتر بر اساس واحد اندازه‌گیری خواهیم داشت.
۱. رفراکتومتر بریکس (Brix):
BRIX کاربردی‌ترین واحد اندازه‌گیری ضریب شکست است، همانطور که فارنهایت یا سلسیوس واحد اندازه گیری دما می‌باشند. در مورد فارنهایت، از خواص آب و رفتار حرارتی آن برای ارائه یک مقیاس اندازه‌گیری استفاده شده است. اما در مورد BRIX، محلول‌های شکر (ساکارز) برای ارائه یک مقیاس اندازه‌گیری به کار رفته است.
به‌طور طبیعی، ضریب شکست آب خالص (RI=1.333) است که به عنوان BRIX “0” تعریف می‌شود. هر عددی که از1.333 بزرگتر یا کوچکتر باشد، به عنوان درصد ساکارز خوانده می‌شود.
BRIX یک مرجع مناسب است و در گذشته از آن برای نظارت بر زمان رسیدن میوه و آماده شدن برای برداشت استفاده می‌شد. امروزه مقیاس BRIX معمولاً در صنایع غذایی برای اندازه گیری مقدار تقریبی قند موجود در میوه‌ها، سبزیجات، آب میوه‌ها، نوشیدنی و نوشابه‌ها استفاده می‌شود. همچنین در صنعت فلزکاری به عنوان روشی مناسب برای بررسی غلظت روانکار مبتنی بر آب نیز کاربرد دارد.
با این وجود باید توجه داشت که همه مواد جامد موجود در یک سیال، نور را به یک اندازه خم نمی‌کنند. به همین دلیل کاربران باید رفراکتومتر بریکس را بر اساس کاربرد خاص خود کالیبره کنند. برای درک بهتر این موضوع اجازه دهید مثالی را مطرح کنیم.
BRIX 64 می‌تواند یک روان کننده مصنوعی بسیار غلیظ باشد باشد که در صنعت فلزکاری به قالب آسیب خواهد رساند. اما همین BRIX 64 می‌تواند یک شربت مرغوب باشد که فروش بسیار خوبی خواهد داشت.
به همین دلیل هر کارخانه باید برای هر محصول خود یک جدول Brix ارائه شود. جدول 1 نمونه‌‌هایی از مقادیر درصد بریکس طبیعی برای برخی از غذاهای رایج را نشان می‌دهد.
جدول 1. درصد طبیعی بریکس براس برخی از مواد رایج
| نمونه | درصد بریکس |
| آب پرتقال | 4 – 13 |
| نوشیدنی‌های گازدار | 5 – 15 |
| سیب | 11 – 18 |
| آب انگور | 14 – 19 |
| آب میوه‌های غلیظ | 42 – 68 |
| مربا و ژله | 60 – 70 |
| عسل | 80 – 85 |
ممکن است با این پرسش مواجه شوید که تفاوت درجه و درصد بریکس چیست. یک درجه بریکس برابر با 1 گرم ساکارز در 100 گرم محلول است. بنابراین، هیچ تفاوتی بین درصد بریکس و درجه بریکس وجود ندارد.
۲. رفراکتومترهای Salinity
رفراکتومترهای Salinity که با نام شوری‌سنج نیز شناخته می‌شوند، جهت تعیین غلظت محلول سدیم کلرید در یک ماده به کار می‌روند. واحدی که برای تعیین مقدار سدیم کلرید یا نمک موجود در یک سیال استفاده می‌شود ppt (part per million) است.
۳. رفراکتومتر گرانش
در رفراکتومترهای گرانش چگالی مایع نسبت به چگالی آب (که وزن مخصوص آن 1 است) اندازه‌گیری می‌شود و نتیجه بر اساس واحد (Sp.Gr.) گزارش می‌گردد.
وزن مخصوص نسبت چگالی یک ماده به چگالی یک ماده‌ی مرجع است. معمولا از آب به عنوان ماده‌ی مرجع برای اندازه‌گیری وزن مخصوص یک مایع استفاده می‌کنند. از آنجایی که وزن مخصوص از تقسیم چگالی ۲ ماده بدست می‌آید، بنابراین بدون واحد است.
چنانچه در تعیین وزن مخصوص از آب به عنوان ماده‌ی مرجع استفاده کرده باشند، موادی که وزن مخصوص بیشتر از ۱ داشته باشند، چگالی بیشتری نسبت به آب دارند و آنهایی که وزن مخصوص کمتر از ۱ داشته باشند، دارای چگالی کمتری نسبت به آب هستند.
وزن مخصوص از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید.
چگالی آب در دمای ۴ درجه‌ی سانتیگراد، برابر با kg/m3ء۱۰۰۰ است.
۴. مقیاس Oechsle
مقیاس Oechsle که به اختصار (°Oe) نشان داده می‌شود، در واقع یک مقیاس هیدرومتری است که چگالی انگور را اندازه می‌گیرد و نشان‌دهنده رسیده بودن انگور و محتوای قند مورد استفاده در ساخت نوشیدنی است. در برخی کشورها مانند اتریش برای سنجش محتوای قند موجود در انگورهای تخمیر شده از واحد Babo KMW استفاده می‌شود. این واحد از طریق فرمول زیر می‌توان به °Oe تبدیل کرد:
چه رفراکتومتری برای چه ماده‌ای مناسب است؟
حال که با انواع مختلف رفراکتومتر و مقیاس‌های اندازه‌گیری آن آشنا شدید، باید این نکته را در نظر بگیرید که برای تعیین غلظت مواد مختلف، همیشه لازم نیست از رفراکتومترهای مختلف استفاده شود. بلکه گاهی اوقات می‌توان غلظت چندین ماده را با یک رفراکتومتر دستی یا دیجیتال سنجید. نکته‌ای که سبب تفاوت می‌شود، درجه‌بندی‌های مختلف رفراکتومترها است. به عنوان مثال ممکن است درجه‌بندی یک رفراکتومتر 0-32 Brix باشد. این رفراکتومتر ممکن است برای سنجش غلظت انگور مناسب باشد اما بازه اندازه‌گیری آن برای سنجش غلظت عسل مناسب نیست. در جدول 2 به بررسی همین موضوع پرداخته‌ایم.
جدول 2.چه رفراکتومتری برای چه ماده‌ای مناسب است؟
| ماده | درجه بندی |
| مناسب برای تمامی مصارف: انگور، سیب، شیر تخمیر شده توسط لاکتو باسیلوس، اسید لاکتیک، رب گوجه فرنگی، نوشیدنی‌ها، کمپوت میوه، نکتار میوه، آب میوه که هنوز تخمیر نشده است |
(Brix ) % 0-32 |
| صنعت پرورش آبزیان و آکواریوم‌ها، اندازه‌گیری غلظت‌های پایین نمک موجود درآب دریا، اندازه‌گیری میزان نمک موجود در غذاهای بسته بندی شده و کنسرو شده | (PPT) 0-100 (Sp.Gr) 1.000-1.070 |
| صنعت تولید نوشیدنی‌ها، سنجش میزان الکل (آب میوه‌ای که هنوز تخمیر نشده است) | ( ̊ OE) 0-140 ( ̊Babo) 0-25 |
| روغن با غلظت پایین و مایع های بُرش (خنک کننده‌ها و روغن‌هایی که برای خنک کردن در ماشین کاری و فرآیندهای مکانیکی استفاده می‌شوند. ) شیر سویا، گلابی و پرتغال، سودا، شیر، مایونز، توت فرنگی، آب میوه |
(Brix) 0-18 % |
| صنعت پرورش آبزیان و آکواریوم‌ها، سنجش نمک موجود در محلول‌های غذایی، سنجش میزان غلظت نمک آب دریا، اندازه‌گیری میزان نمک موجود در غذاهای بسته‌بندی شده و کنسرو شده | ( Salt) 0-28 % |
| سنجش سس و کچاپ گوجه فرنگی | (Brix) 0-40 % |
| مناسب برای تمامی مصارف و زرده تخم‌مرغ | (Brix) 0-50 % |
| سنجش سس و کچاپ گوجه فرنگی | (Brix) 28-62 % |
| سنجش آب میوه تغلیظ شده، شیر تغلیظ شده، روغن پارافین، شیره، شربت، مربا، ژله، مارمالاد | (Brix) 45-82 % |
| صنعت نگهداری زنبور، سنجش میزان آب و شکر موجود در عسل | (Brix) 58-90 % |
| سنجش عصاره با غلظت بالای شکر | (Brix) 58-92 % |
| سنجش پروتئین موجود در سرم (serum)، سنجش وزن مخصوص ادرار | (Sp.Gr) 1.000-1.040 |
| آب میوه که هنوز تخمیر نشده است | (Brix) 0-35 % ( ̊ OE) 0-150 (KMN Babo) 0-25 |
| سنجش آب مقطر، محلو ل امولسیونه، روغن برش، گوجه فرنگی، محلول های کشت مخمر، آب گوجه فرنگی،سودا ، شیر سویا، گلابی و پرتغال، مایونز، توت فرنگی، شیر، انگور، سیب، آب میوه، شیر تخمیر شده توسط لاکتوباسیلوس، اسید لاکتیک، رب گوجه فرنگی، نوشیدنی، کمپوت میوه، نکتار میوه، نمک | (Brix) 0-35 % |
| سنجش سس، کچاب گوجه فرنگی | (Brix) 0-45 % |
| سنجش سس، کچاب گوجه فرنگی، زرده تخم مرغ | (Brix) 28-65 % |
| سنجش آب میوه تغلیظ شده، شیر تغلیظ شده، روغن پارافین، شربت، شیره، عسل، مربا، ژله، مارمالاد | (Brix) 58-92 % |
| سنجش پروتئین، ادرار | (Urine SP.G) 1.000-1.0500 |
چگونه از رفراکتومتر را نگهداری کنیم؟
در اغلب موارد رفراکتومترها به تعمیر و نگهداری زیادی نیاز ندارند. اما جهت بهبود عملکرد این ابزار آزمایشگاهی لازم است یکسری نکات رعایت شود. به‌طور مثال:
- وقتی اندازه‌گیری کامل شد، منشور را با یک دستمال لنز نرم پاک کنید.
- همچنین هنگامی که از ابزار استفاده نمی‌شود، پوشش را بسته نگه دارید تا از خراشیدن منشور جلوگیری شود.
3 سوالی که باید هنگام خرید رفراکتومتر از خود بپرسید
تا به اینجای مطلب اطلاعاتی در رابطه با کاربرد و انواع مختلف رفراکتومترها ارائه کردیم. در انتهای این مطلب قصد داریم به نکات خرید رفراکتومتر مناسب بپردازیم. توجه داشته باشید که پیش از انتخاب و خرید یک رفراکتومتر، حتما سوالات زیر را در ذهن خود مرور کرده و بر اساس پاسخ خود، ابزار مورد نیاز خود را خریداری کنید.
- آیا کار با ابزار دستی برای شما راحت‌تر است یا دیجیتال؟
- دقت اندازه‌گیری تا چه حد برای شما اهمیت دارد؟
- چه مقیاسی مورد نیاز است؟ شوری، بریکس (ساکارز) یا وزن مخصوص؟
- کدام درجه‌بندی با کاربرد شما مرتبط است؟
امیدواریم این مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد.
