Refractómetro

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Un refractómetro es un dispositivo de laboratorio o de campo para la medición de 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 utilizan para identificar una muestra líquida, analizar la pureza de la muestra y determinar la cantidad o concentración de sustancias disueltas en la muestra. A medida que la luz pasa a través del líquido desde el aire, se ralentizará y creará una ilusión de "curvatura", cuya gravedad 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 portátiles tradicionales , refractómetros portátiles digitales , refractómetros de laboratorio o Abbe (llamados así por el inventor del instrumento y basados ​​en el diseño original de Ernst Abbe del "ángulo crítico") y refractómetros de proceso en línea . ^[2] También existe el refractómetro Rayleigh utilizado (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 medicamentos , 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 lo tanto, se pueden examinar mediante métodos ópticos. El índice de refracción es una constante 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 que se utilizan 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 se toma normalmente en la longitud de onda de la línea D de 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 utilizando un filtro de polarización . Los refractómetros de piedras preciosas están disponibles tanto como instrumentos ópticos clásicos 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 automotriz , se utiliza un refractómetro para medir la concentración del refrigerante.

En la industria de maquinaria , se utiliza un refractómetro para medir la cantidad de concentrado de refrigerante que se ha agregado al refrigerante a base de agua para el proceso de mecanizado.

En la elaboración de cerveza casera , se utiliza un refractómetro para medir la gravedad específica antes de la fermentación y determinar la cantidad de azúcares fermentables que potencialmente se convertirán en alcohol.

Los refractómetros Brix suelen ser utilizados por aficionados para elaborar conservas, como mermeladas y miel. En la apicultura , se utiliza un refractómetro Brix para medir la cantidad de agua en la miel.

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  Refractómetro Abbe de Bausch & Lomb, hacia 1919-1926
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  Refractómetro gemológico ER604 utilizado para comprobar la curvatura de la luz en piedras preciosas; cortesía de A.KRÜSS Optronic GmbH
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  Refractómetro de mano
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  Un viticultor con refractómetro
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  Evaluación de la densidad del líquido abdominal de un gato con peritonitis infecciosa felina mediante un refractómetro.

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 a través de un sistema de lentes. Un filtro de interferencia garantiza la longitud de onda especificada. Debido a que la luz se enfoca 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 mayores, 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 video tomada con el sensor CCD, se puede calcular el índice de refracción de la muestra. Este método de detección del ángulo de reflexión total es independiente de las propiedades de la muestra. Incluso es posible medir el índice de refracción de muestras ópticamente densas con una fuerte absorción o 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 dada varía con la longitud de onda para 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 al aumentar la longitud de onda. En los prismas de vidrio se observa muy poca absorción. En el rango de longitud de onda infrarroja 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 gran precisión. Existen varios diseños sutilmente diferentes para controlar la temperatura; pero hay algunos factores clave comunes a todos, como sensores de temperatura de alta precisión y 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 que no provoque un cambio detectable en el índice de refracción.

En el pasado se utilizaban baños de agua externos, pero ya no son necesarios.

Los refractómetros automáticos son dispositivos electrónicos controlados por microprocesador, lo que significa que pueden tener un alto grado de automatización y también combinarse con otros dispositivos de medición.

Existen distintos 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 la muestra sin necesidad de limpiar el prisma de medición entre medias. Las celdas de muestra también se pueden utilizar para la medición de muestras tóxicas y venenosas con una exposición mínima a la muestra. Las microceldas requieren solo un volumen de unos pocos microlitros, garantizan 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 un embudo de llenado. Estas se utilizan para el intercambio rápido 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 una bomba peristáltica incorporada. Esta se controla mediante el menú de software del instrumento. Una bomba peristáltica abre la posibilidad de monitorear procesos por lotes en el laboratorio o realizar múltiples mediciones en una muestra sin interacción del usuario. Esto elimina el error humano y asegura un alto rendimiento de la muestra.

Si se requiere una medición automatizada de un gran número 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 garantiza mediciones completamente automáticas de las muestras colocadas en los viales del cambiador de muestras para las mediciones.

Los laboratorios actuales no sólo quieren medir el índice de refracción de las muestras, sino también otros 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, como 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

• Configuración y ajustes del instrumento a través del menú del software
• Registro automático de datos en una base de datos
• Salida de datos configurable por el usuario
• Exportación de datos de medición
• Funciones estadísticas
• Métodos predefinidos para diferentes tipos de aplicaciones.
• Comprobaciones y ajustes automáticos
• Compruebe si hay suficiente cantidad de muestra en el prisma
• Registro de datos sólo si los resultados son plausibles

Los refractómetros se utilizan a menudo en aplicaciones farmacéuticas para el control de calidad de productos intermedios y finales. Los fabricantes de productos farmacéuticos tienen que cumplir con varias normativas internacionales como la 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 proporcionando un software de instrumentos que cumple con los requisitos de la 21 CFR Parte 11, con niveles de usuario, firma electrónica y registro de auditoría. Además, hay disponibles paquetes de validación y calificación farmacéutica que contienen

• Plan de Cualificación (QP)
• Calificación de diseño (DQ)
• Análisis de riesgos
• Calificación de instalación (IQ)
• Cualificación Operacional (OQ)
• Lista de verificación 21 CFR Parte 11 / SOP
• Calificación de desempeño (PQ)

• Grados Brix
• Escala de Oechsle
• Escala de Platón
• Escala Baumé

• Sella, Andrea (noviembre de 2008). "El refractómetro de Abbé". Chemistry World : 67.

• Refractómetro – Gemstone Buzz Archivado el 21 de noviembre de 2008 en Wayback Machine usos, procedimientos y limitaciones.
• Refractómetro de Rayleigh: principios operativos Archivado el 5 de julio de 2018 en Wayback Machine
• Refractómetros y refractometría explica cómo funcionan los refractómetros.