دستگاه رفراکتومتر

طریقه کار با دستگاه رفراکتومتر
تعریف های متعددی برای این دستگاه و نحوه ی کار با آن وجود دارد که مهم ترین و کاربردی ترین آن ها توضیح داده شده است :
رفرکتومتر یا رفراکتومتر از دو کلمه (refract) به معنی شکستن و (meter) به معنی سنجش تشکیل  شده است و به معنی شکست سنج است . رفراکتومتر نوعی دستگاه برای تشخیص خلوص و شناسایی مواد در آزمایشگاه می باشد و به عملی که انجام می دهد ، رفراکتومتری گفته می شود . رفراکتومتری در واقع ضریب شکست مایعات و گازها و جامدات می باشد . هنگامی که پرتو نور از محیطی به محیط دیگر با غلظتی متفاوت وارد می شود به علت تغییر سرعت عبور مسیر آن منحرف می شود که این پدیده شکست نور ( refraction ) نامیده می شود . در صورتی که محیط دوم چگال تر از محیط اول باشد نور به خط عمود نزدیک تر می شود و در صورتی که غلظت کمتری داشته باشد از خط عمود دور می شود . به طور کلی می توان گفت به اندازه گیری میانگین ضریب شکست مواد مایع و جامد شفاف و نیمه شفاف ، رفراکتومتری گفته می شود و به دستگاهی که این کار را انجام می دهد ، رفراکتومتر گفته می شود .
از خاصیت رفراکتومتری برای مشخص کردن خلوص مواد یا محلول استفاده می شود . رفراکتومتر در صنایعی نظیر کارخانجات روغن و صنایع دارویی و صنعت رنگ و صنایع دارویی و غذایی و شیمیایی و کارخانجات قند و بررسی های زمین شناسی کاربرد دارد . در مصارف پزشکی و آزمایشگاهی برای تشخیص میزان اوره و چربی خون و غلظت مایعات و قند خون و همچنین پروتئین خون مورد استفاده قرار می گیرد و مهم ترین کاربرد آن در تعیین غلظت ادرار است . در دامپزشکی از انکسار سنج برای اندازه گیری کل پروتئین پلاسما در نمونه خون و ادرار استفاده می شود .
مهم ترین کاربرد این دستگاه در آزمایشگاه کنترل مواد غذایی عبارت است از : اندازه گیری ضریب شکست در روغن ها که نشان دهنده درجه غیر اشباع بودن روغن می باشد و اندازه گیری ضریب شکست و اندازه گیری مقدار مواد جامد محلول در آب ( بریکس ) نظیر نوشیدنی ها و فرآورده های میوه ای . ضریب شکست ( ND ) یک ماده عبارت است از : نسبت سرعت نور در خلا به سرعت عبور نور از ماده مورد نظر به بیان دیگر می توان گفت ضریب شکست یا شاخص انکسار عبارت است ازنسبت سرعت عبور نور در خلا به سرعت آن در ماده ی خاص مورد نظرو لازم به ذکر است که سرعت عبور نور در خلا برابر ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر بر ثانیه است .
برای اهداف کاربردی به جای خلا به عنوان مرجع از هوا استفاده می کنند چرا که ضریب شکست آن بسیار نزدیک به خلا است . ضریب شکست مانند دانسیته ، نقطه ذوب ، نقطه جوش یکی از ثابت های فیزیکی کلاسیک است که می تواند جهت توصیف یک گونه شیمیایی به کار رود و در تایید هویت یک ترکیب و تعیین خلوص آن مفید باشد . همچنین اندازه گیری ضریب شکست همراه با دیگر اندازه گیری ها اطلاعاتی در مورد ساختمان و وزن مولکولی اجسام به دست می آورد . رفراکتومتر انواع مختلفی دارد که عبارت اند از -۱ : رفراکتومتر چشمی رومیزی -۲ رفراکتومتر دستی چشمی -۳ رفراکتومتر پرتابل دیجیتالی -۴ رفراکتومتر اتوماتیک رومیزی -۵ رفراکتومتر آنلاین

نگه داری رفراکتومتر رو میزی
1- دستگاه رفراکتومتر را در مکانی خشک و تهویه دار نگه داری کنید تا عدسی ها کپک نزنند.
2- بعد از کار با محلول های خورنده باید دستگاه تمیز شود تا از صدمه زدن به قسمت های ا ُپتیکی و مکانیکال دستگاه جلوگیری شود .
3- هیچ گونه محلول آلوده کننده ای و همین طور ماده ی جامدی نباید در محل قرار گرفتن نمونه جا بماند چون باعث خراشیدگی سطح منشور خواهد شد .
4- هرگز قسمت های اُپتیکال ( نوری ) را با دست لمس نکنید و برای تمیز کردن این قسمت ها از پارچه کتان با اتر یا گزیلول استفاده کنید .
5- از تکان دادن شدید دستگاه خودداری کنید چون دستگاه رفراکتومتر مجموعه ای از آینه ها و منشورها است و تکان شدید باعث به هم خوردن تنظیم آن ها می شود .

توضیح کلی کار با رفراکتومتر
نحوه ی کار فراکتومتر به این صورت است که نور از مایع مورد نظر عبور می کند و ضریب شکست آن اندازه گیری می شود و ضریب شکست به دست آمده برای هر ماده متفاوت است . در رفراکتومتر یک خط نور دیده می شود که با منشور های مختلف به دست می آید و با عدسی های مختلف برای اپراتور قابل مشاهده می باشد و نحوه کار با رفراکتومتر و همچنین خواندن آن را می توان گفت فرآیندی آسان است و نیاز به تجربه و تخصص زیادی ندارد . در این جا اجزای روابط و فرمول های کاربردی توضیح داده شده اند .
N :ضریب شکست محیط غلیظ
n :ضریب شکست محیط رقیق
r :زاویه شکست
i :زاویه تابش

کالیبراسیون رفراکتومتر
رفراکتومتر های رومیزی قبل از اندازه گیری بایستی با بلوک شیشه ای استاندارد کالیبره شوند برای این کار یک قطره نفتالین بروماید را روی سطح شفاف بلوک شیشه ای قرار دهید و سطح شفاف بلوک شیشه ای استاندارد را روی منشور بازتاب دهنده بچسبانید . موقع قرائت از طریق عدسی چشمی دقت شود خط مرزی در وسط خط تقاطع قرار گیرد . بهتر است قبل از استفاده با الکل یا اتر جهت تمیز کردن منشور ها اقدام گردد .

طریقه کار با رفراکتومتر
در اینجا سه روش کار با این دستگاه گفته شده است که هر سه روش تخصصی و با مواد متفاوت است

شرح کار اول :به وسیله قطره چکان محلول مورد آزمایش را در جایگاه مخصوص نمونه ( منشور ) قرار دهید و پیچ قفل منشور را محکم کنید . محلول مورد آزمایش باید تمامی سطح منشور را بپوشاند و حبابی وجود نداشته باشد . لازم به ذکر است که ضریب شکست تابعی از دما است و باید دقت شود که در دمای ثابت خوانده شود . برای این کار محفظه های ورود و خروج محلول که در دمای ثابتی قرار دارد در رفراکتومتر رومیزی تعبیه شده است . در صورتی که محلول های مورد نظر فرار باشند باید با سرنگ به منفذ کنار منشور تزریق شود . سپس آینه های انعکاسی نور را تنظیم کنید تا محدودیت دید کامل روشن شود و با نگاه کردن در عدسی چشمی رفراکتومتر ، پیچ تنظیم را به گونه ای بچرخانید که خط مرزی به صورت تقارن قرار گیرد و فقط محوطه سیاه و سفید دیده شود . با خواندن عدد مشخص شده در میدان دید ، قرائت پایان می یاید و برای رفراکتومتر (اَبه) Abbe هر دو گزینه ضریب شکست و بریکس مشخص خواهد شد . در صورتی که ماده ی مورد آزمایش جامد باشد ، بایستی از قسمت پولیش شده روی منشور استفاده شود و اندازه گیری بدون استفاده از آینه بازتابش و منشور متقارن انجام می شود و برای این کار سطح ماده را با نفتالین بروماید تمیز کنید و روی منشور بازتابش قرار دهید . در صورتی که ضریب شکست ماده جامد بیشتر از ۶۶.۱ باشد به جای نفتالین برومید از دیازومتان استفاده کنید.

شرح کار دوم :برای شروع کار ابتدا باید دستگاه را صفر کرد و صفر کردن دستگاه با آب خالص صورت می گیرد به این ترتیب که بعد از پاکسازی کامل سل دستگاه با آب خالص و سپس الکل و خشک کردن آن با دستمال مخصوص ، یک قطره آب خالص روی سل می چکانید و در لنز نگاه می کنید ، وقتی که مرز ناحیه روشن و تاریک به نازک ترین حالت خودش رسید باید عدد ۱.۳۳۳۳۳ را در قسمت پایین لنز دِتِکت( دیدن و آشکار شدن )کرد که در این حالت می گوییم دستگاه نرمال و ایده آل کار می کند . حالا دوباره سل را باز می کنیم و کاملا شست و شو می دهیم اول با آب و سپس با الکل و در بعد خشک میکنیم . حال یک قطره سمپل (نمونه مورد آزمایش )را بر روی منشور دستگاه می چکانیم و با گردون تنظیم دستگاه مرز نازک تاریکی و روشنایی را می سازیم و بعد عدد منطبق بر آن را می خوانیم که این عدد ضریب شکست سمپل مورد نظر ما می شود . در ضمن دمای سل باید بر روی ۲۰ درجه سانتی گراد تنظیم شد و این دما توسط یک آب ورودی و خروجی از یک حمام تهیه می شود .

شرح کار سوم : مواد و وسایل مورد نیاز برای انجام این آزمایش رفراکتومتر و پی پت و پی پت کش و پنبه هیدروفیل و تترا کلرید کربن است . رفراکتومتر از دو منشور ساخته شده است که یکی از شیشه ها مات و در بالا قرار گرفته است و دیگری از شیشه شفاف است و در زیر قرار دارد و مایع را روی آن می ریزند . دو منشور را مانند دو فک از هم جدا نموده و روی منشور شفاف ۳ ، قطره از مایع مورد نظر را می ریزیم و بلافاصله دو منشور را به هم وصل می کنیم حال اگر داخل رفراکتومتر را نگاه کنیم دو میدان سیاه و روشن رویت می شود که حد فاصل دو میدان را رنگ قرمزی پوشانده است به طوری که تشخیص حد فاصل دو میدان میسر نیست ولی اگر پیچ سمت راست بالایی را بچرخانیم رنگ قرمز به طور کلی از بین رفته و دو میدان به وضوح آشکار می شوند که با پیچاندن پیچ پایینی ، میدان سیاه را بالا و پایین می آوریم به طوری که حد فاصل دو میدان دقیقا روی نقطه تقاطع دو خط عمودی شکل ضربدر که در صفحه مشاهده می شود ، قرار گیرد . عددی که روی صفحه مدرج خوانده می شود ضریب شکست جسم است . معیار پذیرش برای تست ضریب شکست محدوده 1.390 الی 1.495 است.

مقدمه ی کاربردی
همان طور که در قبل گفته شد رفراکتومتر دستگاهی است که با محاسبه ی ضریب شکست نوری که از یک ماده ی با غلظت مجهول ایجاد می شود ، غلظت آن ماده را مشخص می کند که برای این کار ما باید یک جدول و نمودار شاخص و مرجع از مواد مختلف داشته باشیم برای مثال باید میزان ضریب شکست محلول در آب و شکر را از غلظت 0.1 تا 3 مولار داشته باشیم تا زمانی که یک محلول آب و شکر با غلظت مجهول به ما می دهند با محاسبه ی ضریب شکست نوری که ایجاد می شود و طبق نمودار بتوانیم غلظت آن را به دست آوریم . برای درک بهتر مطلب به شکل زیر دقت کنید :

همانطور که گفته شد برای پیدا کردن غلظت باید یک نمودار و جدول شاخص و دقیق داشته باشیم که در این آزمایش یک نمودار برای محلول آب و شکر از غلظت های 0.1 تا 2 مولار تهیه خواهیم کرد .

دستور کار استفاده از دستگاه رفراکتومتر نوع OSK 6527

ابتدا برای شروع کار با دستگاه باید تمام قطعات ( مکان قرار گیری لامپ ها – منشور ها – چشمی دستگاه و )….با الکل و سپس آب مقطر تمیز شود و خشک شود . در تمامی مراحل کار با دستگاه برای خشک کردن باید از پنبه ی هیدروفیل استفاده شود .
برای کار با دستگاه رفراکتومتر یکی از مهم ترین ملاک ها ، دما است که باید دمای دستگاه بر روی ۲۰ الی ۲۵ درجه سانتی گراد باشد و از آنجایی که دمای محیط ۲۰ الی ۲۵ درجه نیست پس این دما را به وسیله ی یک حمام آب محیا می کنیم و اگر دمای معمولی آب در این رنج بود نیازی به حمام آب نیست .
مطابق شکل دستگاه ( که در ادامه آمده است ) برای هر منشور به طور جداگانه ای یک ورودی و یک خروجی آب تعبیه شده است و دلیل این کار این است که زمانی که لامپ ها روشن می شوند به دلیل ایجاد حرارت و نور بالا باعث بالا رفتن دما می شوند که در ضریب شکست بسیار تاثیر گذار است .
نکته : به این دلیل دما باید بر روی ۲۰ الی ۲۵ درجه سانتی گراد باشد چون دمای استاندارد صنعتی ۲۰ درجه و دمای استاندارد آزمایشگاهی ۲۵ درجه سانتی گراد است .
نکته : دما باید بین ۲۰ الی ۲۵ درجه سانتی گراد تنظیم شود و ثابت بماند برای مثال اگر دما بر روی ۲۲ درجه سانتی گراد باشد تا آخر آزمایش و کار با دستگاه دما باید بر روی ۲۲ درجه سانتی گراد ثابت باشد .
بعد از تنظیم دما باید دستگاه صفر شود تا خطایی برای انجام آزمایش نداشته باشد و برای هر بار کار با دستگاه باید دستگاه صفر شود ( برای مثال اگر دستگاه یک روز خاموش ماند و روز بعد خواستیم با آن کار کنیم باید دستگاه صفر شود ) .
برای صفر کردن دستگاه از آب مقطر استفاده می کنیم به این صورت که چند قطره آب مقطر را روی منشور ثابت می ریزیم سپس منشور متحرک را روی آن قرار می دهیم و زمانی که درون چشمی نگاه می کنیم یک دایره متقاطع با دو نیمه ی روشن و تاریک می بینیم . زمانی که آب مقطر را بر روی منشور ریختیم باید با پیچ تنظیم دستگاه آن دو نیمه را دقیقا در وسط دایره متقاطع قرار دهیم یعنی مرز ناحیه ی روشن و تاریک ( قرمز و سیاه ) در وسط دایره متقاطع قرار گیرد سپس با پیچ تنظیم دیگر مرز ناحیه ی قرمز و سیاه ( روشن وتاریک ) را به نازک ترین حالت خودش برسانیم و چک می کنیم که مرز ناحیه ی روشن و تاریک در وسط دایره متقاطع قرار گرفته باشد . برای درک بهتر مطلب به شکل زیر دقت فرمایید .

زمانی که تمامی این مراحل را طی کردیم ضریب شکست نور برای آب مقطر عددی معادل ۱.۳۳۳ است و بریکس آن نیز صفر است که در این حالت می گوییم دستگاه صفر است و در اصطلاح نرمال کار می کند . اکنون دستگاه برای انجام آزمایش آماده به کار است . برای اندازه گیری و محاسبه ی ضریب شکست و تهیه جدول و نمودار شاخص ابتدا باید محلول سازی را در یک رنج مشخص از غلظت انجام دهیم که در این آزمایش ما نموداری با محدوده غلظت ۰.۱ تا ۲ مولار از آب و شکر تهیه کردیم . بعد از انجام دادن و طی کردن مراحل محلول سازی ( که باید به دقت انجام شود )
محلول اول آب و شکر با غلظت٫٫ ۰.۱ مولار را بر روی منشور ثابت دستگاه ریخته و منشور متحرک را بر روی آن قفل می کنیم سپس درون چشمی دستگاه نگاه کرده و می بینیم که مرز ناحیه روشن و تاریک از روی وسط دایره متقاطع تغییر کرده است پس آن را دقیق بر روی وسط دایره متقاطع تنظیم می کنیم و هر بار به نازک بودن مرز دو ناحیه دقت می کنیم ( نازکی مرز دو ناحیه تغییر نمی کند ولی گاهی اوقات در غلظت بالا کمی تغییر می کند )   زمانی که خط اتصال یا مرز دو ناحیه ی قرمز ( روشن ) و سیاه ( تاریک ) در وسط دایره متقاطع قرار گرفت میزان ضریب شکست را یادداشت می کنیم و بریکس آن را هم می نویسیم سپس نموداری با متغیر های غلظت در محور X ها و میزان ضریب شکست در محور y ها تنظیم می کنیم و اعداد را می نویسیم سپس دو منشور را با آب مقطر و پنبه ی هیدروفیل تمیز کرده و محلول بعدی را بر روی دستگاه می ریزیم و تمامی مراحل را مثل اول کار انجام می دهیم و همین طور ادامه می دهیم تا جدول و نمودار شاخص کامل شود . در طول آزمایش باید دقت شود که دما بین ۲۰ الی ۲۵ درجه سانتی گراد بر روی یک عدد ثابت باشد .
بعد از تهیه و تنظیم نمودار و اتمام آزمایش برای درستی و اطمینان از صحیح بودن کار و انجام دادن آزمایش به مقدار یک گرم شکر در ۲۵ سی سی آب مقطر درون بالن ژوژه حل کرده و میزان غلظت آن را با دو روش محاسباتی (تئوری ) و دستگاهی ( عملی ) به دست می آوریم و میزان تفاوت و درصد خطا و درستی آزمایش را به دست می آوریم .

محلول سازی
برای ساخت محلول مادر یا همان آب و شکر ۲ مولار باید طبق فرمول زیر پیش برویم و برای اینکه از غلظت ۰.۱ مولار تا ۲ مولار را بسازیم دو روش وجود دارد که هر کدام را توضیح داده و در آخر بهترین روش گفته می شود :
روش ساخت محلول مادر  (۲ مولار  ):

 

روش اول برای ساخت غلظت های پایین ۲ مولار :
در این روش محلول مادر را که همان محلول ۲ مولار است با استفاده از فرمول رقیق سازی کم کم با توجه به میزان غلظتی که می خواهیم رقیق می کنیم که این روش هم از دقت بالایی بر خوردار است و هم سرعت کار ما را بالا می برد . برای مثال و درک مسئله به مطلب رو به رو دقت کنید :

یعنی ۲۳٫۷۵ سی سی از محلول مادر را برداشته و درون بالن ژوژه ۲۵ سی سی به حجم می رسانیم .

روش دوم برای ساخت غلظت های پایین ۲ مولار :
دقیقا مطابق روش ساخت محلول مادر( ۲ مولار )عمل می کنیم ولی از معایب این روش میزان خطای بالای دستگاهی و انسانی و صرف زمان زیاد است . برای مثال و درک مطلب دقت کنید :

 

یعنی باید ۱۲٫۳۵ گرم شکر را وزن کرده و در ۲۵ سی سی آب حل کنیم تا غلظت ۱٫۹ مولار به دست بیاید . با توجه به اهمیت بالای خطا در این آزمایش و مهم بودن دستگاه و جواب های نهایی پس ما از روش اول محلول سازی استفاده می کنیم .

محاسبات محلول سازی از غلظت ۰.۱ تا ۲ مولار

 

یعنی باید ۱۳۰ گرم شکر را در ۲۵۰ سی سی آب حل کنیم تا محلولی از آب و شکر با غلظت ۲ مولار داشته باشیم سپس با استفاده از محلول مادر بقیه غلظت های پایین ۲ مولار را خواهیم ساخت .

نکته : محلول سازی یکی از مهم ترین و تاثیر گذار ترین مراحل اجرایی در این آزمایش است پس رعایت و انجام مراحل با دقت بالا ضروری است .

طریقه خواندن میزان ضریب شکست و بریکس در دستگاه رفراکتومتر OSK 6527

طریقه رسم نمودار و توضیح یک نمودار ایده آل
از آنجایی که اعداد ضریب شکست بسیار کوچک بودند و زمانی که نمودار رسم می شد بسیار کوچک و نزدیک به هم بود ما اعداد ضریب شکست را در ۱۰ ضرب کردیم تا بر حسب میلی متر بر روی صفحه شطرنجی حساب کنیم و همچنین نمودار ۲ برابر بزرگ شود .
برای رسم نمودار اختلاف دو متغیر را حساب کرده سپس در ۲ ضرب می کنیم و عدد دو برابر شده را بر روی صفحه شطرنجی رسم می کنیم :

یعنی باید ۸ واحد به سوی محور y ها یعنی به سمت بالا بر روی صفحه شطرنجی طی کنیم و نقطه ی مربوط به عدد ۱۳.۴۱ را علامت بزنیم .
نموداری ایده آل است که وقتی تمام نقطه های متغیر ها را علامت زدیم و کامل مشخص شد آن وقت باید اولین نقطه ی نمودار را به آخرین نقطه متصل کرد سپس نقطه هایی را که در سمت چپ خط بود همچنین نقطه هایی را که در سمت راست است را حساب می کنیم و نموداری ایده آل است که میزان متغیر های در سمت چپ و راست خط آن یکسان باشد .

آزمایش تشخیص غلظت محلول آب و شکر
به میزان یک گرم شکر در ۲۵ سی سی آب مقطر حل کردیم و میزان ضریب شکست و بریکس آن را به وسیله رفراکتومتر به دست آوردیم و میزان خطا و درستی آزمایش و کار را حساب کردیم :

در ادامه ی این مبحث با عکس هایی از خود دستگاه و توضیح تجهیزات آن و همچنین فرآیند خواندن بریکس و ضریب شکست نور آشنا می شوید :

 

تهیه کننده و پژوهش گر: ایمان انصاری