Usos del refractómetro en la industria y selección
Por Angelo DePalma, PHD
Usos del refractómetro: Caracteriza los fluidos en función de su índice de refracción: la refracción se produce debido al cambio en la velocidad de la luz cuando viaja a través de un material de una densidad a otro de diferente densidad. Por definición, el vacío tiene un índice de refracción de 1, y el índice de refracción de una solución o fluido puro se calcula mediante la ecuación
Índice de refracción = velocidad de la luz en el vacío/velocidad de la luz a través de la sustancia.
La luz atraviesa más lentamente los medios a medida que las muestras se vuelven más densas o concentradas. Así, el aire tiene un índice de refracción de 1,000293, el índice de refracción del agua es de 1,33298 a 20C y el del benceno es de 1,501, mientras que el índice de refracción del anestésico sevoflurano oscila entre 1,2745 y 1,2760.
El índice de refracción se basa en la ley de Snell, que describe la relación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de difracción de la luz que incide en el límite entre dos medios diferentes, por ejemplo, una solución líquida y el aire. Wikipedia ofrece una buena información sobre el índice de refracción y la ley de Snell.
Cualquiera que haya visto "doblarse" el remo de un bote de remos al entrar en el agua ha experimentado la refracción de primera mano. El fenómeno se debe a la propagación más lenta de las ondas luminosas a través del agua que a través del aire. Los refractómetros comerciales funcionan según el mismo principio, aunque el grado de "curvatura" se mide con precisión.
El índice de refracción es una característica física única y constante de las sustancias puras, como el aceite de limón, pero su uso más común es para calcular la concentración de sustancias disueltas en el agua. Medir el contenido de azúcar en el agua ("brix") es una aplicación habitual. La figura 1 muestra que cuanto mayor es la concentración, mayor es el índice de refracción.
Usos del refractómetro - Longitud de onda y temperatura
Las mediciones de refractometría dependen en gran medida de la longitud de onda de la luz aplicada a la muestra y de la temperatura de ésta. Los refractómetros estándar utilizan la longitud de onda de 589,3 nanómetros (omiten la emisión de la línea D del sodio) y realizan las mediciones a 20 ºC. Mientras que la longitud de onda es fija, las temperaturas de la muestra varían a menos que se controlen y afectan significativamente a las mediciones de refractometría.
Los líquidos y las soluciones se vuelven menos densos a temperaturas más altas, por lo que la luz que pasa a través de muestras a mayor temperatura encuentra menos moléculas de soluto (y disolvente). Por lo tanto, cabe esperar que el índice de refracción a 25º C sea ligeramente inferior que a 20º C. Una forma de compensar la temperatura es aplicar una corrección numérica para las variaciones de temperatura a partir de 20º C -.
Las correcciones numéricas razonables basadas en las tablas de corrección de ICUMSA funcionan bien para las sustancias puras de azúcar y agua en las que existe una relación lineal entre el Índice de Refracción y el cambio de temperatura. Cuanto menor sea la pureza de la sustancia disuelta y cuanto más se aleje la muestra de los 20º C, mayor será el error matemático potencial. La fórmula de corrección de temperatura más comúnmente aplicada es la desarrollada por ICUMSA cuando crearon la tabla BRIX que aproxima la diferencia entre el Índice de Refracción a temperaturas de medición y de referencia.
Los factores de corrección del índice de refracción difieren para todas las soluciones y líquidos puros. Algunos instrumentos de gama alta aplican un factor de corrección automáticamente, una función conocida como compensación de temperatura automatizada o corrección de temperatura automatizada. Sin embargo, la solución más fiable a las temperaturas no estándar es la capacidad de calentar o enfriar la muestra a 20 ºC exactos. Los sistemas más eficientes proporcionan calentamiento y enfriamiento tanto por encima como por debajo de la muestra, y emplean calentamiento/enfriamiento Peltier en lugar del tradicional baño de agua.
El mantenimiento del baño de agua requiere mucho tiempo, ya que hay que cambiar y rellenar el agua periódicamente y añadir alguicida. Además, hay que medir y calibrar la temperatura del baño de agua. El control electrónico Peltier de la temperatura es más compacto que los baños de agua y proporciona una mayor precisión de la temperatura y un equilibrio más rápido.
A diferencia de la espectroscopia, que puede identificar sustancias de forma única basándose en su absorción, la refractometría sólo es útil cuando el material analizado es conocido. Por ejemplo, una solución salina de una concentración puede tener el mismo índice de refracción que una solución azucarada de una concentración diferente. A pesar de esta limitación, los refractómetros son omnipresentes en los laboratorios industriales y científicos, sobre todo en los entornos de control de calidad, donde una medición rápida del Índice de Refracción indica si el producto se ajusta a las especificaciones). Las siguientes aplicaciones son sólo la punta del iceberg de posibilidades:
- Salinidad del agua
- Dulzor de las bebidas
- Contenido de hidrocarburos de los carburantes
- Brix, o concentración de azúcar en una fermentación
- Concentración de jarabe de arce
- Proteína en solución
Usos y selección de refractómetros para la industria
Dado que los laboratorios tienen necesidades muy diferentes en función de sus aplicaciones, entorno de medición, requisitos de conformidad, formación del operario y nivel de experiencia, los proveedores de refractómetros han respondido ofreciendo numerosos modelos para satisfacer las distintas configuraciones del sector. Éstos abarcan desde unidades de sobremesa hasta portátiles, desde electrónicas/digitales hasta manuales, con distintos niveles de precisión y documentación.
Para los usuarios cotidianos, el rendimiento es un factor obvio a la hora de comprar un refractómetro. Las personas que compran estrictamente por el precio pueden estar perdiendo valor. Los refractómetros suelen durar mucho tiempo si se mantienen adecuadamente. Para aprovechar todo el valor de un instrumento analítico es necesario que el comprador comprenda el valor de sus mediciones, la frecuencia de uso y el coste o la oportunidad perdida de una lectura incorrecta. La diferencia de coste entre un instrumento de gama baja y un refractómetro de calidad puede ascender a sólo unos céntimos por medición a lo largo de la vida útil del instrumento.
Los refractómetros pequeños, portátiles o del tamaño de la palma de la mano, que cuestan entre 200 y 2.000 dólares, se suelen utilizar para tareas específicas, como analizar el vino o el anticongelante. Estos instrumentos pueden ser electrónicos o funcionar con pilas, o modelos no electrónicos que dependen de la luz ambiental y requieren que el usuario haga una determinación visual. Los diseños electrónicos/digitales suelen ser algo más grandes y caros, pero proporcionan una mayor precisión. Los refractómetros pequeños son ideales para el trabajo de campo, en casa, para llevar el "laboratorio" a la muestra en lugar de al revés.
Los refractómetros de laboratorio del rango de precios de 7.000 a 14.000 dólares son instrumentos de trabajo para grandes empresas de fabricación que buscan mantener un alto nivel de calidad y el cumplimiento de estrictas directrices de calidad. Su elevado coste se justifica por su óptica y rendimiento superiores. Mientras que los modelos portátiles ofrecen una resolución de entre 0,1 y 0,01, los instrumentos de laboratorio llegan hasta 0,0001. Estos refractómetros suelen conectarse a un ordenador y son los instrumentos preferidos por los laboratorios de alto rendimiento que buscan precisión e integridad de los datos.
Para aplicaciones de investigación o aquellas que requieren una precisión muy alta, los refractómetros de laboratorio de gama alta ofrecen una precisión de hasta 0,00001 y un rango de medición del índice de refracción completo, de hasta 1,70000. Estos instrumentos disponen de conectividad con ordenadores y otros instrumentos.
Además de estas tres categorías de refractómetros de laboratorio, las empresas que trabajan en industrias de procesos pueden considerar los refractómetros en línea que miden el índice de refracción de forma continua.
Conclusión
La refractometría es un método analítico de eficacia probada que sigue siendo un elemento básico de los laboratorios modernos. La selección del refractómetro adecuado depende de sus necesidades de precisión, rendimiento de la muestra, ubicación de la medición e interoperabilidad con otros instrumentos, así como de los requisitos de manipulación y procesamiento de datos.
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