屈折計、その仕組みと食品業界における役割

Jun 13, 2023

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屈折計は、物質の屈折率 (n) を測定するために使用される装置です。 この物理的特性は、物質の純度の決定 (n 値と標準値の比較) や、n 値と基準値の比較による未知物質の同定の支援など、さまざまな評価に使用できます。 1 屈折計はその設計と使用において多用途であり、結果を屈折率として提供したり、場合によっては可溶性固体、糖濃度、塩分などのパラメーターの直接測定として提供したりできます。

屈折計の仕組み、屈折率、スネルの法則の役割

物質の屈折率は、式 1 で説明されているように、真空中の光の速度と試験物質を通過する光の速度の比によって決定されます。

屈折率（n）＝（真空中の光の速さ）（検体中の光の速さ）

式 1: 光速度を使用した物質の屈折率の定義。

光がある媒体から別の媒体に伝わるとき、速度だけでなく方向も変化し、結果として屈折が生じます。 この現象は図 1 で表され、光ビームはそれぞれ速度 vA と vB で媒体 A と B を通過します。

スネルの法則によれば、入射角と屈折角の正弦の関係は、第 2 媒質の屈折率に等しい2。界面に垂直な面を考慮すると、入射ビームと屈折ビームは角度 θA と θB を形成します。と媒質 A と B の屈折率 (nA と nB) から、次の関係が成立します (式 2)。

sin⁡θA = nB = VAsin⁡θB nA VB

式 2: スネルの法則の公式。

上の方程式は、物質の屈折率が、光の速度を測定するのではなく、入射角と屈折角を測定することによって求められることを示しています。

屈折計の動作原理をよりよく理解するには、考慮すべきもう 1 つの基本的な概念、臨界角があります。 入射光線の角度が増加すると、屈折角も増加します (図 2A を参照)。 特定の入射角では、屈折角は 90° に達します。これは、可能な最大屈折角です。 臨界角として知られるこの特定の点では、光線は界面に平行に進み、入射角がさらに増加すると光の反射が生じます。3 ここで、液体と接触している照明されたプリズムを考えてみます。図 2B)、臨界角を下回るビームは屈折し、臨界角を上回るビームは反射されます。 適切な位置から観察すると、臨界角は暗い領域と明るい領域の間の遷移として視覚化できます。 プリズムの屈折率 (nA) と臨界角 (90°) での屈折角 θB がわかれば、液体の屈折率 (nB) を求めることができます。 この関係は、ほとんどの屈折計の動作原理を確立します。4

物質の屈折率を正確に決定するには、特にこの特性が温度と測定に使用される光の波長に依存するため、追加の考慮を行う必要があります。 したがって、温度変化と波長を制御または補償するには注意が必要です。1

屈折率は物質に固有であるため、この特性は材料の特性を評価し、その純度を評価するための簡単かつ効率的な方法となります。 テストサンプルが水と砂糖、または水とアルコールなどの 2 つの成分の単純な混合物である場合、その特性評価のための最初の選択肢は屈折計です。 より複雑な混合物では測定の精度が低くなる可能性がありますが、屈折計は依然として品質管理に適した許容可能な溶質濃度の近似値を与えることができます。 このため、屈折計は使いやすく、メンテナンスの手間がかからず、迅速に結果が得られるため、研究室、産業、生産現場で使用されています。 溶液の屈折率は通常、その体積濃度 (m/V) に直接比例し、密度係数を掛けると質量濃度 (m/m) に変換できます。 この関係により、屈折率と比重のデータを相互に比較することができます。 物質の比重、または相対密度は、標準物質 (通常は 4 °C の水) の密度との比です。 液体の相対密度は比重計を使用して測定できます。比重計は、底部にバラストとして機能する電球が取り付けられた密封されたガラス管で作られた装置です。 これらの装置には比重があり、比重計の浮力に基づいて、比重計に印刷された目盛りから、その中に置かれた液体の比重を読み取ることができます。 あるいは、液体の比重は比重計を使用して測定することもできます。比重計は、指定された体積のガラス容器と、容器を完全に満たして気泡を逃がすための特別な栓を備えたガラス容器です。 この装置を使用すると、非常に正確な体積を測定できるため、流体の比重を決定できます6。比重と屈折率の両方を使用して二成分混合物の組成を決定でき、これはプロセス制御と品質評価に不可欠です。 。 比重計は安価で使いやすいため、たとえば自家製ビール醸造者に最適です。 ただし、屈折率測定は、より迅速かつ直接的な測定を可能にし、比重測定よりもはるかに少量のサンプルしか必要とせず、持ち運びが容易なため、ほとんどの産業および食品生産用途で推奨されています。