Refraktometre

Refraktometre kırılma indisinin (refraktometri) ölçümü için laboratuvar ya da saha cihazıdır. Kırılma indisi Snell's yasasından hesaplanır ve GladstoneDale bağıntısının kullanımıyla maddenin kompozisyonundan da hesaplanabilir. Bir refraktometre, bir ışık demetinin bir malzemeden diğerine geçerken bükülmesini ölçer; bu tür cihazlar, örneğin şeker çözeltilerinin bileşimini veya ketçaptaki domates salçası konsantrasyonunu belirlemek için kullanılır.
Refraktometre çeşitleri
Temel olarak dört çeşit refraktometre bulunmaktadır: geleneksel el tipi refraktometreler, dijital el tipi refraktometreler, laboratuvar veya Abbe refraktometreler, ve proses hattı üzerinde kullanılan refraktometreler. Ayrıca tipik olarak gazların kırılma indeksinin ölçümü için kullanılan Rayleigh Refraktometresi de bulunmaktadır.
Veterinerlikte, refraktometre kan örneği içerisinde toplam plazma proteininin ve üre özgül ağırlığının hesaplanması için kullanılmaktadır.
Uyuşturucu teşhisinde, refraktometre insan üresi içerisindeki özgül ağırlığı hesaplamak için kullanılmaktadır.
Gemolojide, refraktometre kırılma indisinin hesaplanması yoluyla kıymetli taşların saptanmasına yardımcı olmak için kullanılmaktadır. Değerli taşlar ışığı geçiren minerallerdir ve böylece optik yöntemlerle saptanabilmektedirler. Kırılma indisi bir bileşiğin kimyasal yapısına bağlı bir sabit olduğu için değerli taşların kalitesi ve tipi konusunda bilgi sağlamaktadır. Özel değerli taş refraktometresi ile sınıflandırma, taşın orijinalliğinin ve kalitesinin belirlenmesi için uygulanması kolay bir yöntemdir. Bu nedenle, değerli taş refraktometresi gemoloji laboratuvarlarınının basit bir ekipmanıdır. Kırılma indisi dağılımının kullanılan ışığın dalgaboyuna bağlılığı nedeniyle ölçüm genelde 589 nm sodyum-D (NaD) dalgaboyunda gerçekleştirilir. Bu dalgaboyu gün ışığından filtre edilir veya tek dalgaboyunda ışık saçan diyot (LED) tarafından üretilir. Yakut, safir, turmalin ve topaz gibi belirli taşlar optikçe anizotropiktir. Işığın polarizasyon düzlemine bağlı olarak çift kırılma gösterirler. Bu iki kırılma indisi polarizasyon filtresi kullanılarak sınıflandırılır. Değerli taş refraktometreleri hem klasik optik cihaz hem de dijital ekranlı elektronik ölçüm aleti olabilmektedir.
Deniz akvaryumlarında refraktometre suyun tuzluluğunu ve özgül ağırlığını hesaplamak için kullanılmaktadır.
Ev yapımı içkilerde refraktometre, alkole dönüşme ihtimali bulunan mayalanabilir şeker miktarının belirlenmesi için fermantasyon öncesinde özgül ağırlığın ölçülmesinde kullanılır.
Otomatik refraktometreler
[[Dosya:Measuring Principle v2. png|küçükresim|Otomatik refraktometrenin şematik kurulumu:' LED ışık kaynağı, örnekle temas halindeki bir prizma yüzeyinin üzerinde geniş aralıklı açılar ile gösterilmiştir. Prizma materyali ile örnek arasındaki kırılma indisi farklılığına bağlı olarak ışık kısmen örnek içinden geçer ya da tamamı yansır. Toplam yansımanın sınır açısı, geliş açısının bir fonksiyonu olarak yansıyan ışın yoğunluğunun ölçülmesiyle belirlenir. Resim şu kaynaktan alınmıştır: Anton Paar GmbH, www.anton-paar.com]]
Otomatik refraktometreler örneğin kırılma indisini otomatik olarak ölçer. Bir örneğin kırılma indisinin otomatik hesaplanması, toplam yansımanın kritik (sınır) açısının belirlenmesine dayanır. Bir ışık kaynağı, genelde uzun ömürlü LED, bir lens sistemi yoluyla bir prizma yüzeyine odaklanır. Girişim filtresi sayesinde özel dalgaboyu sağlanır. Işığın prizma yüzeyinde bir noktaya odaklanmasıyla farklı açıların geniş aralığı engellemiş olur. Resimde "Otomatik refraktometrenin şematik kurulumu"'' görüldüğü gibi ölçülen örnek ölçüm prizması ile doğrudan temas halindedir. Kırılma indisine bağlı olarak büyük açılar ile gelen ışının tamamı yansırken sınır açısından daha düşük bir açıyla gelen ışının bir kısmı örnek içerisinden geçer. Geliş açısına bağlı olarak kırılan ışığın yoğunluğu yüksek çözünürlüklü sensör dizisi tarafından ölçülür. Örneğin kırılma indisi, CCD sensör ile elde edilen video sinyali tarafından hesaplanır. Toplam yansımanın açısının belirlendiği bu yöntem, örneğin özelliklerine bağlı değildir. Bu yöntemle optikçe kuvvetli absorplanan örneklerin ya da hava kabarcığı veya katı parçacık içeren örneklerin kırılma indisini de ölçmek mümkündür. Ayrıca, sadece mikrolitre bazında örnek hacmi yeterlidir ve örnek geri kazanılabilir. Kırılma açısının bu yöntemle belirlenmesi, titreşimden ve diğer çevresel parazitlerden etkilenmez.
Dalgaboyunun etkisi
Belirli bir örneğin kırılma indisi, neredeyse tüm malzemelerde tüm dalgaboylarında çeşitlilik gösterir. Bu dağılım ilişkisi her malzeme için karakteristiktir. Görünür dalgaboyu aralığında kırılma indisinin azalması ve neredeyse hiç absorpsiyon olmaması gözlenebilir. Infrared (kızılötesi) dalgaboyu aralığında birçok absorpsiyon maksimumu ve kırılma indisinde dalgalanmalar gözlenir. Kırılma indisinde 0.00002 ye varan doğrulukla yüksek kaliteli bir ölçüm için dalgaboyunun doğru şekilde belirlenmesi gerekmektedir. Bu nedenle, modern refraktometrelerde farklı dağılımlardaki örnekler için doğru sonuçları elde etmek amacıyla dalgaboyu +/-0.2 nm lik dalgaboyu genişliğine ayarlanır.
Sıcaklığın etkisi
Sıcaklık kırılma indisi ölçümünde oldukça önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, prizmanın ve örneğin sıcaklığının hassas olarak kontrol edilmelidir. Sıcaklığı kontrol etmek için birçok farklı tasarım bulunmaktadır fakat örneğin ve prizmanın sıcaklığını kontrol etmek için Peltier cihazlar ve yüksek hassasiyette sıcaklık sensörleri gibi genel bazı anahtar faktörler bulunmaktadır. Bu cihazların sıcaklık kontrol doğruluğu tasarlanmalıdır. Böylece örnek sıcaklığındaki çeşitlilik, belirlenen kırılma indisinde değişime neden olmayacak kadar az olacaktır.
Geçmişte harici su banyoları kullanılmaktaydı fakat artık bu banyolara ihtiyaç yoktur.
Otomatik refraktometrelerin genişletilmiş olanakları
Otomatik refraktometreler mikroişlemci kontrollü elektronik cihazlardır. Bunun anlamı, bu cihazların yüksek derecede otomasyona sahip olmaları ve diğer ölçüm cihazları ile kombine edilebilmeleridir.
Akış hücreleri
Mikrolitre hacminde akış hücresinden iki ölçüm arasında prizmanın temizlenmesinin gerekmediği hızlı örnek değişimi için doldurma hunili örnek hücrelerine kadar değişik aralıkta birçok farklı tipte örnek hücresi bulunmaktadır. Aynı zamanda, örnek hücreleri zehirli ve toksik örneklere minimum maruziyet için de kullanılabilir. Mikro hücreler sadece mikrolitre hacminde örnekler gerektirir, pahalı örneklerin geri kazanımını garantiler ve uçucu örnekler veya çözücülerin buharlaşmasını engeller. Aynı zamanda, oomatik sistemlerde refraktometre prizmasının üzerinde örneğin otomatik olarak doldurulması için de kullanılabilmektedirler. Huni vasıtasıyla örneğin uygun şekilde doldurulması için doldurma hunili akış hücreleri mevcuttur. Bu hücreler kalite kontrol uygulamalarında hızlı örnek değişimi için kullanılmaktadır.
Otomatik örnek besleme
Otomatik refraktometre akış hücresiyle donatılsa da örnek bir şırınga ya da peristaltik pompa ile de doldurulabilir. Modern refraktometreler dahili peristaltik pompa seçeneğine sahiptir. Bu pompa, cihazın yazılım menüsü yoluyla kontrol edilir. Peristaltik pompa laboratuvarda kesikli işlemlerin görüntülenmesi için kolaylık sağlar veya kullanıcı etkisi olmaksızın bir örneğin çoklu ölçülmesini gerçekleştirir. Bu da ölçümdeki insan hatasını ortadan kaldırır ve yüksek örnek verimliliği sağlar.
Birçok sayıda örneğin otomatik ölçümü gerekliyse modern otomatik refraktometreler, otomatik örnek değiştiriciler ile kombine edilebilir. Örnek değiştirici refraktometre tarafından kontrol edilir ve örnek değiştiricinin içindeki viyallarin içinde örneklerin otomatik ölçümünü sağlar.
Çok parametreli ölçümler
Günümüzde laboratuvarlar yeterli kalite kontrolün sağlanması için örneklerin sadece kırılma indisinin ölçümünü değil bunun yanı sıra yoğunluk veya viskozite gibi ek parametrelerin de ölçümünü talep etmektedir. Mikroişlemcili kontrol ve birçok arayüz sayesinde bir veritabanı içerisinde kırılma indisi ve yoğunluk verisinin (ve diğer parametrelerin) depolanması için otomatik refraktometreler, bilgisayarlar veya yoğunluk ölçer, pH metre ya da viskometre gibi diğer ölçüm cihazları ile iletişim kurabilmektedir.
Yazılım özellikleri
Otomatik refraktometreler kırılma indisinin ölçümünün yanı sıra aşağıda sıralanan birçok ek yazılım özelliğini sağlamaktadır:
Yazılım menüsü ile cihaz ayarlarının ve konfigürasyonun yapılabilmesi
Veritabanı içinde otomatik veri kaydı
Kullanıcı tarafından konfigüre edilebilen veri çıkışı
Ölçüm verilerinin Mirosoft Excel formatında aktarımı
İstatistiksel fonksiyonlar
Birçok farklı uygulma için önceden tanımlanmış yöntemler
Otomatik denetleme ve ayar
Prizma içerisinde uygun miktarda öenek olup olmadığının kontrolü
Makul sonuçların belirlenerek veri kaydının yapılması
İlaç dokümantasyonu ve validasyonu
Refraktometreler, eczacılık uygulamalarında hammaddelerin ve son ürünlerin kalite kontrolü için sıklıkla kullanılmaktadır. İlaç üreticileri, birçok dokümantasyon gerektiren FDA 21 CFR Part 11, GMP, Gamp 5, USP<1058> gibi uluslararası yönetmelikleri takip etmek zorundadır. Otomatik refraktometre üreticileri kullanıcılara, kullanıcı seviyeleri, elektronik imza ve denetim takibi ile 21 CFR Part 11 gereklilikleri donatımlı cihaz yazılımı sağlamaktadır. Ayrıca, İlaç Dokümantasyon ve Doğrulama Paketleri şu maddeleri de içermektedir:
Yeterlilik Planı (QP)
Tasarım Yeterliliği (DQ)
Risk Analizi
Kurulum Yeterliliği (IQ)
Operasyonel Yeterlilik (OQ)
Kontrol Listesi 21 CFR Part 11 / SOP
Performans Yeterliliği (PQ)
En yaygın kullanılan ölçüm skalaları
Brix
Öksele skalası
Plato skalası
Baumé skalası