Ratgeber
Mit einem Refraktometer wird die spezifische Lichtbrechung transparenter Flüssigkeiten oder Materialien gemessen. Anhand des dabei ermittelten Brechungsindex lassen sich Inhaltsstoffe oder Materialeigenschaften bestimmen.
Erfahren Sie in unserem Ratgeber, wie diese Testgeräte funktionieren, wo und wie man sie einsetzt und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.
In der Optik ist die Brechungszahl eines transparenten Stoffs eine dimensionslose Zahl. Sie beschreibt, wie schnell sich Licht durch das Material bewegt. Zum Beispiel beträgt der Index von Wasser 1,333. Das bedeutet, dass sich Licht im Vakuum 1,333 Mal so schnell bewegt wie in Wasser. Ein zunehmender Index entspricht einer abnehmenden Lichtgeschwindigkeit im Material.
Berechnet wird der Index durch die Stärke der Lichtbeugung, Lichtbrechung und Reflexion an der Grenzfläche zwischen zwei Medien. Der Index variiert mit der Wellenlänge, so dass beispielsweise weißes Licht bei der Brechung in einzelnen Farben erscheint. Diese so genannten Dispersion lässt sich in Prismen und Regenbögen sowie als chromatische Aberration in Linsen beobachten. Bei den meisten Materialien ändert sich die Brechungszahl mit der Wellenlänge gleich um mehrere Prozent im sichtbaren Spektrum. Dennoch werden Brechungsindizes für Materialien üblicherweise mit einem einzigen Wert für den Index „n“ angegeben, gemessen typischerweise bei 633 Nanometer im roten Bereich des sichtbaren Lichts.
Das Prinzip gilt übrigens innerhalb des gesamten elektromagnetischen Spektrums, von Röntgenstrahlen bis hin zu Radiowellen.
Das Prinzip ist recht einfach: Um den Index zu bestimmen, wird Licht gleichzeitig durch ein gläsernes Prisma mit bekannten Brechungseigenschaften und die Probe – beispielsweise eine Lösung – gelenkt. Wenn Licht aus der Luft durch die Probe dringt, wird es langsamer und erzeugt die Illusion einer Biegung, wobei die Stärke der Biegung von der Menge der in der Flüssigkeit gelösten Substanz abhängt. Zum Beispiel die Menge an Zucker in einem Glas Wasser.
An dem Punkt, an dem das Prisma und die Lösung aufeinandertreffen, erfolgt die Messung. Bei einer niedrig konzentrierten Lösung ist die Lichtbrechung im Prisma deutlich größer als in der Probe, wodurch ein großer Brechungswinkel und ein niedriger Messwert entstehen. Das Gegenteil würde bei einer hochkonzentrierten Lösung eintreten. Je nach Art der Probe kommen drei unterschiedliche Beleuchtungsarten in Frage: Durchlicht, streifender Einfall oder die Totalreflexion.
Einfluss der Wellenlänge auf die Messung
Der Brechungsindex einer bestimmten Probe variiert mit der Wellenlänge des Lichts für alle Materialien. Dieses Dispersionsverhältnis ist nichtlinear und für jedes Material charakteristisch. Im sichtbaren Bereich geht mit zunehmender Wellenlänge eine Abnahme des Brechungsindexes einher, im infraroten Wellenlängenbereich treten sogar mehrere Absorptionsmaxima und Schwankungen auf.
Um eine qualitativ hochwertige Messung mit einer Genauigkeit von bis zu 0,00002 im Brechungsindex zu gewährleisten, muss die Wellenlänge korrekt bestimmt sein. In modernen Refraktometern lässt sich die Wellenlänge deshalb auf eine Bandbreite von plus/minus 0,2 Nanometer abstimmen.
Einfluss der Temperatur auf die Messung
Die Temperatur nimmt großen Einfluss auf die Brechzahlmessung. Für eine exakte Bestimmung müssen das Prisma und die Probe die gleiche Temperatur aufweisen. Einige Geräte erledigen die Anpassung automatisch über Heiz- beziehungsweise Kühlelemente oder rechnerisch über interne Referenztabellen, die so genannte Auto-Temperatur-Kompensation, abgekürzt ATC. Bei einfachen Geräten ohne ATC sind die unterschiedlichen Temperaturen vom Bediener anhand von Tabellen auf den Normwert von 20 °C zurückzuführen.
Das Angebot an Brechungsmessgeräten ist in vier Haupttypen gegliedert: traditionelle analoge Handrefraktometer, digitale Handrefraktometer, Labor- oder Abbe-Refraktometer – benannt nach Ernst Abbe, dem Erfinder des Instruments – und Inline-Prozessrefraktometer. Die Anzeige der Lichtbrechung erfolgt je nach Bauart über eine Skala mit scharfkantigem Hell-Dunkel-Übergang im Durchlicht-Display. Digitale Refraktometer zeigen den Wert auf einem LC-Display.
Automatische digitale Refraktometer ermitteln selbstständig den Index einer Probe, basierend auf dem Winkel der Totalreflexion. Eine Lichtquelle, in der Regel eine langlebige LED, wird dabei über ein Linsensystem auf eine Prismenfläche fokussiert. Ein Interferenzfilter garantiert die spezifizierte Wellenlänge. Die Fokussierung des Lichts auf einen Punkt der Prismenoberfläche deckt so einen großen Bereich verschiedener Winkel ab.
Typische Einsatzbereiche
In der Labormedizin wird ein Refraktometer zur Bestimmung des gesamten Plasmaproteins in einer Blutprobe und des spezifischen Gewichts von Urin in einer Urinprobe verwendet.
In der Drogendiagnostik dient ein Brechungsmesser zum Feststellen des spezifischen Gewichts von menschlichem Urin.
In der Gemmologie ist der Brechungsmesser eines der grundlegenden Geräte. Edelsteine sind transparente Mineralien und können daher mit optischen Methoden untersucht werden.
In der Meerwasseraquarienhaltung lässt sich der Salzgehalt und das Gewicht des Wassers messen.
In der Automobilindustrie misst das Gerät die Kühlmittelkonzentration.
- Beim Bierbrauen wird ein Brechungsmesser zum Bestimmen des spezifischen Gewichts des Brauguts vor der Gärung verwendet. So lässt sich die Menge an vergärbaren Zuckern ermitteln, die potenziell in Alkohol umgewandelt werden können.
Grad Brix (Symbol °Bx) ist der Zuckergehalt einer wässrigen Lösung. Ein Grad Brix entspricht 1 Gramm Saccharose in 100 Gramm Lösung und stellt die Stärke der Lösung in Massenprozent dar.
Brix wird in der Lebensmittelindustrie beim Messen des Zuckergehalts in Obst, Gemüse, Säften, Wein, alkoholfreien Getränken und in der Stärke- und Zuckerherstellungsindustrie verwendet. Bei Fruchtsäften wird 1,0 Grad Brix als 1,0 Massenprozent Zucker bezeichnet. Dies korreliert normalerweise recht gut mit der wahrgenommenen Süße.
Die entscheidenden Kriterien für die Beschaffung eines Brechungsmessgeräts sind einerseits die Art der Proben, andererseits die Häufigkeit der Messungen innerhalb kurzer Zeiträume sowie die Wahl zwischen einem analogen oder einem digitalen Refraktometer.
Für Messungen mit geringem bis mittleren Durchsatz genügen in der Regel analoge Refraktometer nach dem Abbe-Prinzip. Es handelt sich dabei um rein optische Messgeräte, eingesetzt beispielsweise bei der Brix-Messung. Hier wird ein Tropfen der Probenlösung auf ein Prisma gegeben, das Ergebnis ist durch ein Okular zu sehen. Der kritische Winkel – der Winkel, jenseits dessen das Licht vollständig in die Probe zurückreflektiert wird – ist dabei eine Funktion des Index. Die bedienende Person erkennt diesen Winkel an der Position der Dunkel-Hell-Grenze auf der Skala, die in Brix oder Index kalibriert werden kann.
Häufig enthält die Prismenfassung ein Thermometer. Wenn die Messung nicht bei genau 20 °C durchgeführt werden kann, lässt sich über den Thermometerwert der Index korrigieren. Brix-Messgeräte sind in Tisch- und Handversionen erhältlich.
Automatische digitale Refraktometer messen dagegen völlig selbstständig den Index einer Probe, basierend auf dem kritischen Winkel der Totalreflexion. Eine Lichtquelle, meist eine langlebige LED, wird über ein Linsensystem auf eine Prismenfläche fokussiert. Ein Interferenzfilter garantiert die spezifizierte Wellenlänge. Durch die Fokussierung des Lichtes auf einen Punkt auf der Prismenoberfläche wird ein großer Bereich verschiedener Winkel abgedeckt.
Abhängig von ihrem Index wird das unterhalb des kritischen Winkels der Totalreflexion einfallende Licht teilweise in die Probe transmittiert, während bei höheren Einfallswinkeln das Licht vollständig reflektiert wird. Diese Abhängigkeit der reflektierten Lichtintensität vom Einfallswinkel wird mit einem hochauflösenden Bildsensor gemessen. Aus dem mit dem Sensor aufgenommenen Bild lässt sich der Index der Probe berechnen.
Wenn eine automatisierte Messung sehr vieler Proben in kurzer Zeit erforderlich ist, können moderne automatische Refraktometer mit einem Probenwechsler kombiniert werden. Das Refraktometer steuert den Wechsler und gewährleistet so einen hohen Messdurchsatz.
Viele Labore wollen nicht nur den Index von Flüssigkeiten messen, sondern verschiedene zusätzliche Parameter wie Dichte oder Viskosität. Dank der Mikroprozessorsteuerung und einer Reihe von Schnittstellen sind automatische Brechungsmesser in der Lage, mit Computern oder anderen Messgeräten wie Dichtetestern, pH-Metern oder Viskositätsmessgeräten zu kommunizieren, um beispielsweise die Werte in einer Datenbank zu speichern.
Wie lassen sich analoge Refraktometer kalibrieren?
Notwendig ist dazu eine Kalibrierflüssigkeit, die in der Regel mit dem Refraktometer ausgeliefert wird. Alternativ lässt sich das Gerät aber sozusagen mit Hausmitteln kalibrieren, jeweils abhängig von der Art der Probe. So lässt sich der Brix-Wert von Honig zum Beispiel mit reinem Nelkenöl feststellen, da dieses Öl exakt dem 19,6-prozentigen Wassergehalt von Honig entspricht. Alternativ bietet sich auch destilliertes Wasser zur Kalibrierung an. Mit einem Blick durch das Refraktometer lässt sich feststellen, ob die Grenzlinie von 0 Prozent bei dem erwarteten Wert liegt.
Wie lassen sich analoge Refraktometer kalibrieren?
Notwendig ist dazu eine Kalibrierflüssigkeit, die in der Regel mit dem Refraktometer ausgeliefert wird. Alternativ lässt sich das Gerät aber sozusagen mit Hausmitteln kalibrieren, jeweils abhängig von der Art der Probe. So lässt sich der Brix-Wert von Honig zum Beispiel mit reinem Nelkenöl feststellen, da dieses Öl exakt dem 19,6-prozentigen Wassergehalt von Honig entspricht. Alternativ bietet sich auch destilliertes Wasser zur Kalibrierung an. Mit einem Blick durch das Refraktometer lässt sich feststellen, ob die Grenzlinie von 0 Prozent bei dem erwarteten Wert liegt.