علم الانكسار: الغوص التقني المتعمق في اختبار بريكس
مقدمة
يستخدم العديد من المحترفين اختبار بريكس لقياس “السكر”. لكن الرقم الموجود على مقياس الانكسار يُظهر في الواقع شيئاً آخر تماماً. فهو يقيس مبدأ فيزيائي أساسي: انكسار الضوء. هذه القيمة هي قيمة بديلة وليست مقياساً مطلقاً للحلاوة.
العلم الأساسي وراء اختبار بريكس بسيط. فهو يقيس كيفية انحناء الضوء في محلول سائل. عندما يمر الضوء من الهواء إلى عينة ما، فإن الزاوية التي ينحني بها ترتبط مباشرةً بكمية المواد الذائبة في تلك العينة.
يأخذ مقياس بريكس هذا القياس الذي ينحني للضوء ويحولها إلى شيء أكثر فائدة. فهو يوضح النسبة المئوية للسكروز بالوزن في محلول الماء.
هذا سيقدم الدليل للمحترفين التحليل. سنستكشف
- كيفية عمل انكسار الضوء ومعنى معامل الانكسار.
- مقارنة تقنية بين تقنيات مقاييس الانكسار التناظرية والرقمية والمختبرية.
- بروتوكول مفصل خطوة بخطوة لقياسات دقيقة وقابلة للتكرار.
- القيود الحرجة لاختبار بريكس والتصحيحات اللازمة للمحاليل غير السكرية.
- التطبيقات والتفسيرات المتقدمة في المفتاح مراقبة الجودة الصناعية والزراعية الإعدادات.
المبدأ الأساسي
فهم انكسار الضوء
يحدث الانكسار عندما ينتقل الضوء من وسط إلى وسط آخر بكثافة مختلفة. يغير الشعاع الضوئي اتجاهه، أو “ينحني”.”
فكر في قشة في كوب من الماء. تبدو منحنية لأن الضوء ينتقل في الماء أبطأ من الهواء.
وتتبع هذه العلاقة قانون سنل: n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂sinθ₂. وهنا، n₁ و n₂ هما مؤشرا الانكسار للوسطين. θ₁ و θ₂ هما زاويتا السقوط والانكسار. مقياس الانكسار هو في الأساس جهاز مصمم لقياس هذا التغير في الزاوية بدقة.
تعريف معامل الانكسار
معامل الانكسار (RI) هو رقم يوضح مقدار انحناء الشعاع الضوئي عند دخوله إلى مادة ما. ويتم حسابه كنسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعة الضوء في المادة.
إليك المفتاح مبدأ اختبار بريكس:: تؤثر المواد الصلبة الذائبة في السائل بشكل مباشر على كثافته البصرية.
المزيد المواد الصلبة الذائبة مثل السكريات, أو الأملاح أو البروتينات تجعل المحلول أكثر كثافة بصريًا. وهذا يبطئ الضوء الذي يمر عبره. والنتيجة هي زاوية انكسار أعلى ومعامل انكسار أعلى.
يبلغ معامل انكسار الماء النقي منزوع الأيونات عند درجة حرارة 20 درجة مئوية حوالي 1.3330. ويعمل هذا كنقطة الصفر العامة (0.0 درجة مئوية) على مقياس بريكس. ويوفر خط أساس ثابت لجميع القياسات.
مقياس بريكس
مقياس بريكس (°Bx) ليس وحدة فيزيائية مستقلة. إنه تحويل عملي لقياس معامل الانكسار. فهو يحول قيمة RI المجردة إلى شيء مفهوم على نطاق واسع: النسبة المئوية للسكروز حسب الكتلة في الماء النقي.
على سبيل المثال، المحلول الذي تبلغ درجة انكساره 25 درجة مئوية له نفس معامل الانكسار لـ 25 جرامًا من السكروز في 75 جرامًا من الماء.
اللجنة الدولية لتوحيد المقاييس طرق السكر ويحدد التحليل (ICUMSA) بدقة هذا المقياس ويحافظ عليه. وتحدد معاييرهم المعايرة على أساس محاليل السكروز عند درجة حرارة 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت).
إن فهم هذه المعايرة القائمة على السكروز أمر بالغ الأهمية. فهو المصدر الرئيسي للأخطاء عند قياس المحاليل التي تحتوي على أنواع أخرى من المواد الصلبة الذائبة. سنستكشف ذلك بالتفصيل لاحقًا.
أدوات المهنة
أجهزة قياس الانكسار التناظرية المحمولة باليد
أبسط مقياس انكسار يعمل على البصريات النقية. ويستخدم الضوء المحيط الذي يمر عبر عينة على منشور.
ينكسر الضوء، وأنت تشاهد مقياساً داخلياً من خلال عدسة العين. يمكنك تحديد “خط الظل” - الحد الفاصل بين الحقلين الفاتح والمظلم - لتحديد قيمة بريكس.
تحتوي العديد من النماذج التناظرية على شريط ثنائي المعدن متصل بالعناصر البصرية. يتمدد هذا الشريط أو ينكمش مع تغيرات درجة الحرارة. يقوم بضبط البصريات قليلاً لتوفير تعويض تلقائي لدرجة الحرارة (ATC) ضمن نطاق محدود.
وتتمثل مزاياها الرئيسية في سهولة الحمل والمتانة والتكلفة المنخفضة وعدم الحاجة إلى طاقة كهربائية.
العيب الرئيسي هو الذاتية. فالقراءة تعتمد على كيفية تفسيرك لخط الظل، والتي تختلف من شخص لآخر. كما أنها توفر دقة أقل، عادةً بزيادات تتراوح بين 0.2 و0.5 درجة مئوية.
مقاييس انكسار رقمية محمولة باليد
تستبدل مقاييس الانكسار الرقمية التفسير البشري بالدقة الإلكترونية. وهي تستخدم مصدر ضوء داخلي متحكم فيه، عادةً ما يكون مصباح LED، يسلط الضوء على العينة.
يكتشف المستشعر البصري عالي الدقة الموضع الدقيق لزاوية الانكسار الحرجة. وهذا هو المكافئ الإلكتروني لخط الظل. وتشمل الخيارات جهاز CCD (جهاز مقترن بالشحن) أو صفائف الصمام الثنائي الضوئي.
يقوم المعالج الدقيق بتحويل هذه الزاوية على الفور إلى معامل انكسار. يطبق تصحيحًا دقيقًا لدرجة الحرارة استنادًا إلى ثرمستور داخلي. ثم يعرض قيمة بريكس النهائية على شاشة رقمية.
توفر النماذج الرقمية نتائج موضوعية وقابلة للتكرار بدرجة كبيرة مع دقة ودقة فائقة، غالبًا ما تصل إلى 0.1 درجة مئوية. يتضمن العديد منها ميزات مثل تسجيل البيانات، ومقاييس متعددة (على سبيل المثال، RI، والملوحة)، وإعدادات المستخدم القابلة للبرمجة.
تتمثل المفاضلة في التكلفة الأولية الأعلى والحاجة إلى بطاريات أو طاقة قابلة لإعادة الشحن.
أجهزة قياس الانكسار المختبرية (Abbe)
تمثل أجهزة Abbe لقياس معامل الانكسار قمة الدقة في قياس معامل الانكسار. وهي أجهزة منضدية مصممة للبيئات المختبرية المستقرة حيث تكون الدقة العالية ضرورية.
وهي تتميز بنظام بصري متطور مع منشورين: منشور قياس ومنشور إضاءة. وتوضع العينة كغشاء رقيق بينهما.
تحتوي العديد من طرازات Abbe على منافذ لحمام مائي دائر. وهذا يسمح بالتحكم الدقيق للغاية في درجة حرارة المنشورات والعينة، بما يتجاوز بكثير قدرات ATC القياسية.
والنتيجة هي أعلى مستوى من الدقة والدقة المتاحة، وغالبًا ما تصل دقتها إلى 0.0001 RI أو 0.01 درجة مئوية. وهذا يجعلها معيارًا للأبحاث ومراقبة الجودة الصيدلانية وتطوير معايير التركيز.
إن تكلفتها الكبيرة وقلة قابليتها للنقل وحاجتها إلى بيئة محكومة ومشغلين مهرة تحد من استخدامها في التطبيقات الأكثر تطلبًا.
الجدول 1: مقارنة فنية
الميزة | تناظرية محمولة باليد | جهاز رقمي محمول باليد | آبي/مختبر منضدية |
المبدأ | بصري (الإضاءة المحيطة، العدسة البصرية) | إلكتروني (LED، مستشعر الصمام الثنائي الضوئي) | بصري عالي الدقة (منشور مزدوج، منضدية) |
الدقة | معتدلة (± 0.2 درجة مئوية) | عالية (± 0.1 درجة مئوية) | الأعلى (من ± 0.01 إلى ± 0.05 درجة مئوية) |
القرار | من 0.2 إلى 0.5 درجة مئوية × 0.5 درجة مئوية | 0.1 درجة مئوية | 0.01 درجة مئوية أو أفضل |
التحكم في درجة الحرارة | شريط معدني ثنائي المعدن محدود (شريط معدني ثنائي المعدن) | الثرمستور الحراري الإلكتروني (الثرمستور) | حمام ماء خارجي أو عنصر بلتيير |
التكلفة | منخفض ($) | معتدل ($$) | مرتفع إلى مرتفع جدًا ($1T1T1T1T1T1T1T1T4T) |
حالة الاستخدام الأساسي | الاختبارات الميدانية، والفحوصات السريعة، والزراعة، وتربية النحل. | مختبرات مراقبة الجودة, إنتاج الأغذية والمشروبات, والتخمير وصناعة النبيذ. | الأبحاث، وتطوير المعايير، ومراقبة الجودة الصارمة، والمستحضرات الصيدلانية. |
الطريقة الدقيقة
الخطوة 1: المعايرة الحرجة
المعايرة هي الخطوة الأكثر أهمية لضمان سلامة البيانات. فهي تحدد نقطة الصفر لجهازك. تتم مقارنة جميع القياسات اللاحقة بهذه النقطة.
يجب إجراء ذلك باستخدام الماء المقطر أو، ويفضل أن يكون ماء منزوع الأيونات (DI). فمصادر المياه النقية هذه خالية من المواد الصلبة الذائبة التي من شأنها أن تغير معامل الانكسار وتخلق خط أساس خاطئ.
قبل اختبار أي عينة، ضع بضع قطرات من ماء DI على المنشور النظيف والجاف. يجب أن تكون القراءة 0.0 درجة مئوية بالضبط.
في مقياس الانكسار الرقمي، اضغط على زر “ZERO” أو “CAL”. في الطراز التناظري، استخدم مفك البراغي المرفق لتدوير برغي المعايرة. أدره حتى يظهر الظل محاذاة الخط بشكل مثالي بعلامة 0.0 على المقياس. هذه الخطوة ليست اختيارية. فهي أساسية للدقة.
الخطوة 2: تحضير العينة
تعتمد القراءات الدقيقة على عينات معدة جيدًا ومُعالجة بشكل صحيح. الاعتبار الأول هو درجة الحرارة.
يجب أن تكون العينة ومنشور مقياس الانكسار في نفس درجة الحرارة للحصول على قراءة دقيقة. يساعد التعويض التلقائي لدرجة الحرارة (ATC)، ولكن له حدود. فهو يعوض عن درجة حرارة الجهاز، وليس عن الاختلاف المفاجئ في درجة الحرارة بين العينة الساخنة والمنشور البارد.
للحصول على أفضل النتائج، اسمح للعينة بالوصول إلى درجة الحرارة المحيطة بالجهاز. وهذا أمر بالغ الأهمية خاصةً في الأعمال المختبرية عالية الدقة أو عند استخدام أجهزة غير أجهزة قياس درجة حرارة المحيط المحيطة.
توحيد العينة أمر بالغ الأهمية أيضًا. يعكس القياس القطرات القليلة فقط على المنشور. يجب أن تمثل الدفعة بأكملها. قلّب السوائل جيداً قبل أخذ العينات. بالنسبة للفاكهة، استخرج العصير من مركب من الفاكهة بأكملها، وليس فقط من منطقة صغيرة واحدة يحتمل أن تكون أكثر حلاوة.
وأخيرًا، تأكد من وضوح العينة. يمكن أن تشتت المواد الصلبة العالقة أو اللب أو فقاعات الهواء الضوء. هذا يؤدي إلى خط ظل ضبابي في النماذج التناظرية أو قراءة خطأ في النماذج الرقمية. دع العينات تستقر، أو قم بترشيحها إذا لزم الأمر. عند وضع العينة، استخدم ماصة للسحب من منتصف السائل. هذا يتجنب الأغشية السطحية أو الرواسب.
الخطوة 3: قراءة القياس
تختلف طريقة أخذ القراءة حسب نوع الجهاز.
بالنسبة لمقياس الانكسار التناظري، ضع العينة وأغلق لوحة ضوء النهار. ارفع الجهاز إلى مصدر ضوء طبيعي ساطع. انظر من خلال العدسة وأدر حلقة التركيز حتى يصبح المقياس حاداً وواضحاً.
خذ القراءة عند الحد الفاصل بين الحقلين الأزرق والأبيض، والمعروف باسم خط الظل. اقرأ القيمة الموجودة على المقياس حيث هذا الخط يتقاطع.
بالنسبة لمقياس الانكسار الرقمي، تكون العملية أبسط بكثير. بعد وضع العينة، اضغط على زر “قراءة” أو “قياس”. سيقوم الجهاز بإجراء القياس، وتطبيق تصحيح درجة الحرارة، وعرض قيمة بريكس ثابتة ونهائية على الشاشة في ثوانٍ.
الخطوة 4: التنظيف بعد القياس
البقايا من عينة سابقة هي المصدر الرئيسي للتلوث التبادلي والنتائج غير الدقيقة. يجب تنظيف المنشور بدقة بعد كل قراءة.
استخدم قطعة قماش ناعمة غير كاشطة أو منديل مبلل بماء منزوع الأيونات. امسح برفق سطح المنشور والجانب السفلي من لوحة الغطاء. جففها تماماً بقطعة قماش نظيفة وجافة.
لا تستخدم أبدًا مواد كيميائية قاسية أو مواد كاشطة يمكن أن تخدش سطح المنشور الحساس. سيؤثر المنشور التالف على دقة الأداة بشكل دائم.
الجدول 2: دليل استكشاف الأخطاء وإصلاحها
المشكلة | السبب الفني المحتمل | الحل |
خط الظل الضبابي | تركيز غير صحيح (تناظري) أو منشور متسخ أو مواد صلبة عالقة في العينة. | اضبط العدسة، ونظف المنشور بماء DI، واترك العينة تستقر أو ترشح. |
القراءة لن تصفر | منشور متسخ أو استخدام ماء الصنبور للمعايرة أو تلف الجهاز. | نظف المنشور جيدًا بماء DI، واستخدم ماء DI فقط، وتحقق من عدم وجود خدوش في المنشور. |
نتائج غير متسقة | فرق درجة الحرارة أو العينة غير المتجانسة أو المنشور المتسخ. | السماح للعينة والمنشور بالمعايرة، وخلط العينة جيدًا، وتنظيف المنشور بعد كل استخدام. |
رسالة الخطأ الرقمي | عينة غير كافية أو عينة غير شفافة للغاية أو درجة حرارة شديدة. | التأكد من تغطية المنشور بالكامل، وتخفيف العينة إن أمكن، والسماح باستقرار درجة الحرارة. |
ما بعد السكروز: القيود
مشكلة “كل شيء آخر”
الأكثر أهمية القيود الفنية لاختبار بريكس هو أن مقياس الانكسار لا يميز. فهو يقيس التركيز الكلي لجميع المواد الصلبة الذائبة، وليس السكروز فقط.
يتأثر معامل انكسار المحلول بأي مادة مذابة فيه. قراءة بريكس النهائية هي قيمة تراكمية تعكس مجموع كل هذه المكونات.
تشمل المركبات الأخرى التي تساهم في معامل الانكسار ويمكنها تضخيم قراءة بريكس ما يلي:
- السكريات الأخرى، مثل الفركتوز والجلوكوز، والتي لها مؤشرات انكسار مختلفة قليلاً عن السكروز.
- الأحماض العضوية، مثل حمض الستريك والماليك وحمض الطرطريك. وتوجد هذه الأحماض بشكل خاص في الفاكهة والنبيذ والقهوة.
- المعادن والأملاح الذائبة.
- الأحماض الأمينية والبروتينات والبكتين.
ولذلك، يجب أن تسمى قيمة بريكس من الناحية الفنية “بريكس الظاهر” عند قياس أي شيء آخر غير محلول السكروز النقي. إنه وكيل ممتاز ومرتبط للغاية لمحتوى السكر. ولكنه ليس قياسًا مباشرًا.
التفسير الخاص بالتطبيق الخاص بالتطبيق
يعد فهم هذا القيد أمرًا أساسيًا لتفسير قراءات بريكس بشكل صحيح في السياقات المهنية المختلفة.
في صناعة النبيذ، يُعد بريكس العنب مؤشراً موثوقاً به للكحول المحتمل. ومع ذلك، عندما يبدأ التخمير، تستهلك الخميرة السكر وتنتج الإيثانول. يحتوي الكحول على معامل انكسار أقل من الماء، مما يخفض قراءة بريكس بشكل مصطنع. ولذلك، يلزم استخدام مقياس السوائل بعد التخمير لقياس الثقل النوعي. أو يجب استخدام صيغ تصحيح محددة لحساب وجود الكحول.
في التطبيقات الصناعية، مثل إدارة مبردات الأشغال المعدنية أو مضادات التجمد، تُستخدم قراءة بريكس كمؤشر لتركيز السائل. إن توفر الشركة المصنعة “معامل الانكسار” (على سبيل المثال، 1.8x). يجب على المشغل ضرب قراءة بريكس في هذا العامل لتحديد نسبة التركيز الحقيقية. للزيوت والجليكول في السائل معامل انكسار مختلف تمامًا عن السكروز.
في القهوة المتخصصة، يستخدم بريكس لقياس إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) في القهوة المخمرة. يشير هذا إلى قوة الاستخلاص. في هذا السياق، تتأثر القراءة بشدة بمزيج معقد من الأحماض العضوية والزيوت والمركبات الأخرى. السكروز هو مكون ثانوي. تُعد القراءة ذات قيمة للاتساق ولكنها لا تمثل “محتوى السكر”.”
الجدول 3: التصحيح والاعتبارات
التطبيق | المذيبات الأولية المقاسة | تصحيح/اعتبار |
عصير العنب (قبل التخمير) | سكروز، سكر العنب، فركتوز، جلوكوز، حمض الطرطريك | اقرأها كما هي لمعرفة النضج والكحول المحتمل. تعتبر بديلاً قوياً للسكريات الكلية. |
تخمير النبيذ / البيرة | السكريات والإيثانول والأحماض والبروتينات المتبقية | قراءة بريكس غير دقيقة بسبب انخفاض نسبة الكحول في الكحول. يجب استخدام مقياس السوائل أو تطبيق معادلة تصحيح الكحول لتقدير مستويات السكر الحقيقية (المستخلص الحقيقي). |
تشغيل المعادن سائل التبريد | الزيوت المستحلبة، والجلايكول، والمواد المضافة | اضرب قراءة بريكس في “عامل مقياس الانكسار” الذي توفره الشركة المصنعة (على سبيل المثال، 1.5x، 2.1x) للحصول على التركيز الحقيقي. |
العسل | الفركتوز، والجلوكوز، والماء، والمعادن، والأحماض | تستخدم في المقام الأول لقياس المحتوى المائي. يتم تحجيم مقاييس انكسار العسل النوعية لإظهار % الماء مباشرة، والذي يرتبط عكسياً بمقياس بريكس. |
معجون الطماطم | السكريات (الفركتوز)، الأحماض (الستريك)، الأملاح، البكتين | القراءة هي “بريكس الظاهر” أو “المواد الصلبة الطبيعية القابلة للذوبان في الطماطم” (NTSS). الصناعة توجد معايير لمنتج معين الدرجات بناءً على هذه القراءة. |
قهوة (مخمرة) | الأحماض العضوية، والدهون، والميلانويدين، والكربوهيدرات | تُفسر القراءة على أنها إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) لقياس إنتاجية الاستخلاص وقوته. ليست مقياسًا للحلاوة. |
الخاتمة
خلاصة الحقائق
الإتقان التقني لاختبار بريكس يتطلب تجاوز التعريف السطحي. المفتاح هو استيعاب بعض النواة المبادئ التي تحكم دقتها وفائدتها.
- اختبار بريكس هو قياس فيزيائي لمعامل الانكسار. ويرتبط ذلك بالتركيز الكلي لجميع المواد الصلبة الذائبة، وليس السكر فقط.
- يجب أن يعتمد اختيار الأداة - التناظرية أو الرقمية أو المختبرية - على التطبيق المحدد والمستوى المطلوب من الدقة والموضوعية.
- البروتوكول الدقيق غير قابل للتفاوض. إن المعايرة الصارمة بالماء منزوع الأيونات والتحكم الصارم في درجة الحرارة والتنظيف الشامل هي أساس البيانات الموثوقة.
- ضع في اعتبارك دائمًا تركيبة العينة الخاصة بك. بالنسبة لأي محلول غير سكروز، تكون القراءة قيمة “ظاهرية” قد تتطلب عوامل تصحيح أو تفسير خاص بالتطبيق.
قوة القياس
عندما تفهم تمامًا مبادئه العلمية وحدوده المتأصلة، يتحول اختبار بريكس إلى اختبار بريكس. ويتوقف عن كونه مجرد رقم بسيط. ويصبح أداة قوية وسريعة وفعالة من حيث التكلفة تعتمد على البيانات.
بالنسبة لمدير مراقبة الجودة أو المهندس الزراعي أو عالم الأغذية، يوفر قياس بريكس المستنير نظرة ثاقبة للتحكم في العملية واتساق المنتج والجودة النهائية.
تتيح الاستفادة من هذا الفهم التقني للمهنيين في مجالات لا حصر لها اتخاذ قرارات أسرع وأكثر استنارة. وهذا يضمن الاتساق من الحقل إلى المختبر ومن أرضية المصنع إلى المنتج النهائي.
- ICUMSA - اللجنة الدولية للطرق الموحدة لتحليل السكر ICUMSA https://www.icumsa.org/
- منظمة AOAC الدولية - رابطة الكيميائيين التحليليين الرسمية https://www.aoac.org/
- منظمة ASTM الدولية - معايير اختبار الأغذية والمشروبات https://www.astm.org/
- ISO - المنظمة الدولية للتوحيد القياسي https://www.iso.org/
- إدارة الغذاء والدواء الأمريكية - FDA - إدارة الغذاء والدواء الأمريكية https://www.fda.gov/
- وزارة الزراعة الأمريكية - وزارة الزراعة الأمريكية https://www.usda.gov/
- معهد تقنيي الأغذية (IFT) https://www.ift.org/
- الدستور الغذائي (منظمة الصحة العالمية/منظمة الأغذية والزراعة) https://www.fao.org/fao-who-codexalimentarius/
- NIST - المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا https://www.nist.gov/
- الجمعية الأمريكية لكيميائيي تخمير الجعة (ASBC) https://www.asbcnet.org/
