折射仪，它的工作原理和在食品工业中的作用

什么是折射仪?

折射计是量度折射率的仪器(n物质的)。这物理性质可以用来进行各种评估，例如确定一种物质的纯度(通过比较其纯度)n值与标准值)或通过比较来帮助识别未知物质n值到参考值。¹折射仪在设计和使用上用途广泛，能够提供折射率的结果，或者在其他情况下，作为参数的直接测量，如可溶性固形物、糖浓度或盐度。

物质的折射率由真空中的光速与穿过测试物质的光速之比决定，如式1所示。

折射率(n) =(真空中的光速)
(测试物质中的光速)

方程1:用光速定义物质的折射率。

当光传播从一种介质到另一种介质，它不仅在速度上而且在方向上发生变化，从而产生折射。这种现象如图1所示，其中光束以速度v穿过介质a和B_一个和v_B分别。

图1: 介质A与介质B界面处的光折射。来源:作者。

根据斯涅尔定律，入射角的正弦值与折射角的正弦值的关系等于第二介质的折射率。²考虑在与界面垂直的平面上，入射光束和折射光束形成角度θ_一个而且θ_B，以及介质A和介质B的折射率(n_一个而且n_B)，可建立如下关系式(式2):

罪⁡θ_一个＝n_B＝V_一个
罪⁡θ_Bn_一个V_B

方程2:斯涅尔定律公式。

由上式可知，物质的折射率可以通过测量入射角和折射角来求，而不是通过测量光速来求。

为了更好地理解折射计的工作原理，还有一个基本概念需要考虑，即临界角。当入射光束的角度增加时，折射角也增加(见图2A)。在特定的入射角下，折射角达到90度°，这是可能的最大折射角度。在这个特殊的点上，被称为关键角，光束平行于界面，任何额外增加的入射角将导致光的反射。^3.如果我们现在考虑一个被照亮的棱镜与液体接触(图2B)，低于临界角的光束被折射，高于临界角的光束被反射。当从正确的位置观察时，临界角度可以可视化为黑暗和光明区域之间的过渡。通过了解棱镜的折射率(n_一个)以及折射角θ_B在临界角度(即90°)下，液体的折射率(n_B)现在可以确定。这种关系确定了大多数折射计的工作原理。⁴

为了准确地测定一种物质的折射率，必须作额外的考虑，特别是由于这种性质依赖于用来测量它的温度和光的波长。因此，必须注意控制或补偿温度变化和波长。¹

图2: 与临界点(A)有关的光折射和反射的表示，以及通过棱镜上的反射光观察临界角(B)。折射光束为红色，处于临界角的光束为黑色，反射光束为紫色。来源:作者。

折射率是特定于物质的，使这一性质成为表征材料和评估其纯度的简单而有效的方法。当测试样品是两种成分的简单混合物时，如水和糖或水和酒精，表征它们的首选是折光计。虽然更复杂的混合物可能产生不太准确的测定，折射计仍然可以给出可接受的溶质浓度的近似值，适用于质量控制。因此，r电力计用于实验室、工业和生产领域，因为它们使用简单，维护成本低，并提供快速结果。溶液的折射率通常与其浓度/体积(m/V)成正比，当乘以密度因子时，折射率可转换为浓度/质量(m/m)。这种关系使得折射率和比重数据可以相互比较。物质的比重或相对密度是指标准物质(通常是摄氏4度的水)的密度与标准物质的密度之比。液体的相对密度可以通过使用比重计来确定，比重计是一种由密封的玻璃管制成的装置，底部附有一个灯泡，起镇流器的作用。这些设备有特定的密度，根据比重计的浮力，可以在打印在上面的刻度上读取液体的比重。另外，液体的比重也可以用比重计来测定。比重计是一个玻璃容器，有一定的体积和一个特殊的塞子，可以让容器完全装满，气泡也可以排出。该装置可以非常精确地测量体积，从而能够确定流体的比重。⁶比重和折射率都可以用来测定二元混合物的组成，这在过程控制和质量评价中是必不可少的。例如，比重计价格便宜，使用简单，非常适合家庭酿造。然而，折射仪可以实现更快、更直接的测定，所需的样品比比重测量小得多，并且更便携，使其成为大多数工业和食品生产应用的首选。

折射计最常见的用途是测定液体中溶解的固体，如水中糖的浓度。通常，结果用白利度(°Bx)表示，°bx1相当于100克溶液中的1克蔗糖，代表糖含量的重量百分比(% w/w)。⁵Brix秤经常用于检查葡萄汁的糖含量，用于葡萄酒生产、果汁、果冻和果酱、蜂蜜、牛奶和许多其他种类的饮料。其他可比标尺用于表示溶液中固体的含量，如Oechsle, Plato和Baumé。这些刻度的起源实际上是比重的概念。Oechsle刻度是用来测量葡萄酒制造工业所需葡萄的密度的。这个刻度表示测试样品与水之间的密度差，1度Oechsle(°Oe)对应一升水与一升水之间的1克差。Baumé (B°或Bé°)实际上结合了基于比重计测定的两个刻度，分别测量比水密度大和比水轻的流体的密度。由氯化钠溶于水的质量百分比建立Baumé°，0 B°对应纯水和如， 15 B°为水中15%氯化钠的密度。柏拉图也是为酿酒业开发的质量分数单位，代表啤酒厂麦芽汁中溶解固体的浓度。柏拉图度(°P)将提取物的浓度量化为重量百分比。与白利克斯量表的主要区别是，它只考虑糖，而柏拉图量表包括麦汁中的其他可溶性物质。因此，10°P的麦芽汁每100克总重量将含有10克提取物。

其他单位可由特定的折射计给出，如盐度permille（‰)或者在特定温度下的相对密度。

阿贝折射仪

阿贝折光仪是第一个商用折光仪，由欧内斯特·Abbé于1869年发明。虽然它们已经有很长的历史，并进行了多次修改以提高其性能，但这些折射计的基本布局仍然是相同的(见图3)。在这种配置中，样品被放置在两个棱镜之间，照明棱镜和折射棱镜，两者都连接在一个旋转支架上。折射棱镜由高折射率玻璃或蓝宝石制成，表面光滑。照明棱镜表面是粗糙的，因此光束消散在各个方向根据每个表面点。然后，光穿过样品，在折射棱镜的光滑表面的界面上发生折射，并进入仪器的望远镜。望远镜配备了两个可调节的Amici棱镜，通过将发散的临界光束收集成定向白光来防止光色散。为了进行测量，棱镜旋转，直到亮区和暗区之间的边界与视场的中心对齐。然后，可以在刻度上读取折射率的值。阿贝折射仪的现代版本改进了设计特点，如热稳定棱镜支架，固定望远镜支架和阴影边界和刻度的组合视图，允许更容易和更快的阅读。⁴该设备相当大，因此它们被用作实验台架验光仪。它们可用于测量液体和固体的折射率，提供高精度的测量。

图3:阿贝折光仪的表示。来源:作者。

传统的手持式折射仪

手持折光计是最常见和最流行的临界角折光计版本。它们是紧凑的模拟仪器，易于运输，操作方便快捷。它们是可靠的，只需要几滴样品，并提供几乎即时的结果，这使它们成为现场测定的首选。^4,7它们通常被酿酒师用来评估葡萄的成熟度，或被酿酒师用来控制麦芽汁的柏拉图度。

与阿贝折射仪不同的是，手持仪器没有一个照明的衬里，相反，它们有一个照明的襟翼，以掠掠的角度产生光，并将样品固定在适当的位置。穿过样品后，光线进入测量棱镜和其他透镜，到达带有读数刻度的视场(见图4)。根据应用情况，刻度可以按例如Brix, Plato, Baumé度或直接按溶质百分比(例如,酒精或乙二醇)。这些设备可以通过校准螺丝轻松校准(使用蒸馏水作为参考)，允许温度补偿。一些版本有内置的温度补偿系统，基于双金属条，根据温度弯曲，调节刻度。

图4: 手持式折光仪的表示。来源:作者。

数字折射计

数字折光计的功能是使用LED照亮放置在折射棱镜上的样品。然后通过图像传感器测量折射光，以确定折射角度(图5)。然后通过一系列专门的算法对读数进行温度校正，并将其转换为折射率或指定参数。⁸与模拟仪器相比，数字折光仪具有易于使用、自动校正和刻度可调的优点。它们可以小型化为手持式数字折光计，便于携带，也可以专门为目标应用而设计，提高了性能，但限制了功能范围。

图5: 数字折光计的表示。来源:作者。

数字折光计可以手动操作，也可以设计成半自动或全自动读数。在不同的变化中，可以突出显示以下类型:

• 自动折射计
  自动折射仪的设计节省了时间，减少了操作误差，提供了更快、更准确的结果。它们允许在不受控制的环境条件下进行测量，例如在不同的温度或波长下⁹．不同的配置可与自动采样器或泵送系统操作，允许加载，读取和冲洗多个样品。这些设备还能够对正在进行的过程进行周期性测量。自动折光仪通常是为特定应用而设计的，具有更有限但优化的功能。
  
  
• 内联折射计
  内联折射计用于连续监测过程，安装在管道系统或储罐中。它们耐用、免维护，并提供实时浓度测量和原材料、中间产品和最终产品的生产控制。当需要快速准确的响应来优化生产或调节关键工艺步骤(如精炼、制造和质量控制操作)时，这些系统是质量控制的重要工具。⁴

专门的折射计

专门的折射计只不过是为特定的任务或测量而设计的设备。它们的工作原理与前面描述的设备相同，但它们是根据预期用途进行校准和显示的。最常见的变型是Brix折射计和盐度折射计。

• 白利折射计
  白度折光计可能是最常见的专用折光计版本，用于测量溶液的糖含量。蔗糖溶液的折射率随着浓度的增加而增加，并且使用Brix刻度校准Brix折光计。其他类型的溶解固体也会影响折射率，但Brix刻度只提供了真实食品中可溶性固体的近似测量。根据其具体用途，白利度折射计通常针对特定的浓度范围进行优化。⁸例如，设计用于蜂蜜质量控制的Brix折射计针对更高的浓度进行了优化，并显示与用于检查蔬菜质量的刻度不同的刻度。由于其特殊性，供应商通常会提供与定性参数(如质量(差、平均、高和优)或比重和含水量相关的表格和图表。^10,11
  
  
• 盐度折射计
  盐或盐度是在食品加工和制造中测量的，用于控制酱汁和盐水，以确定混合物的比例和稀释度。盐度折射计校准，以确定水中氯化钠浓度，并显示读数千分之一(ppt)，百分比(%)，permille（‰)或者比重。

屈光计检查是一种多功能和可靠的技术，用于食品生产链的几个阶段。在生产部门，折射仪用于监测作物生长、水果和蔬菜的成熟度，并确定最佳收获时间。¹⁰最臭名昭著的例子是它在制糖工业中的应用，甘蔗或甜菜被评估成熟度和估计产量酿酒行业确定葡萄的最佳采收时间．¹²在畜牧业中，折射仪可用于评价牛奶和初乳的质量。这使得现场和即时的评估产品的质量，喂养犊牛的营养参数的充分性和检测可能的掺假，如牛奶稀释。^13,14同样，养蜂人也使用折射法来检查蜂蜜质量和筛选产品掺假。¹⁵在这些例子中，手持式折射计由于其低成本和携带到现场的能力发挥了重要作用，可以提供即时测量。然而，便携式和简单的折光计通常只覆盖有限的折射率范围。因此，这些模型通常针对特定的用途，显示的单元范围有限。例如，测量新鲜水果和蔬菜的白利度需要一个工作范围为0的折光计°到12°测量蜂蜜的白度和白度需要一个工作范围为60的折光计°到90年°白利糖度。

在转化和食品加工中，折射计也是过程货币化和质量控制的基本工具。在葡萄酒和啤酒发酵过程中，生产商用专门的折射计检查糖和酒精含量，以提供葡萄的比重和酒精刻度的读数。便携式或台式设备也用于各种食品(如果汁、酸奶、果酱、婴儿食品和糖浆)的生产线，测量总固体含量。专门的折射计也用于测量盐水、酱汁和罐头食品中的盐浓度。这些质量控制检查对于维持生产规格和允许操作人员批准、拒绝或纠正生产批次至关重要。

台式折光仪(如阿贝折光仪和自动折光仪)提供的高精度和多功能性测量在食品创新、质量控制和打击欺诈中至关重要。这些单元更昂贵，操作更复杂，然而，一个单元可以用来测量折射率在整个可能值范围内，并有助于减少测量之间的可变性。需要精确测量的一个特别例子是脂肪和油脂的筛选。¹⁶对于食品工业来说，了解原料的来源和成分是至关重要的。例如，炼油厂依赖于许多原料产品，其来源各不相同，往往是未知的。因此，要查明产品的身份及其纯度，往往要通过折射率的测定来实现。同样，筛查可以帮助识别食品欺诈，例如用廉价替代品掺假优质橄榄油。利用折光法，可以很容易地测定取代油的比例。¹⁷

总的来说，折射仪是评估和控制原材料和最终产品的质量和纯度的重要工具。它是一种能够提供高样品通量，对样品体积要求低，易于操作和清洁的技术。通过测定折射率，可以测定新鲜水果、蔬菜、果汁和饮料中的糖浓度，并可以测定啤酒、葡萄酒或烈酒中的酒精或提取物含量。它可以对乳制品和蜂蜜进行质量控制，并验证大量食品的工艺规范。它还能够按照标准测试成分的符合性，检测欺诈，控制质量，确保生产样品的纯度，并协助酸，碱和溶剂溶液的研究和开发。

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