液体折射率的测量方法研究进展

折射率作为物质最基本的物理化学性质之一，是衡量各类社会商品及工业材料质量的重要技术指标。液体折射率的测量广泛用于汽车制造、日用化工、食品工业、医药制造、石油化工等诸多领域，是各行业常用的工艺控制指标。特别是涉及食品工业的饮料、酿酒等行业，液体折射率常被用于糖、酒精及其他食品添加剂含量的测定中，是食品质量保证的关键参数，其测量结果的准确度直接决定产品质量是否符合国家食品安全标准。

目前，折射率的测量方法有多种，按照测量原理的不同可分为几类：1）几何光学原理。该类方法的测量基础是光的折射定律（也称Snell定律或斯涅耳定律[1]），定律指出当一束光线从一种介质射向另一种介质时，会分为反射线和折射线两部分，分界面法线与入射线、折射线所成的夹角分别称为入射角和折射角，折射角与入射角的正弦之比与两个介质的折射率有关[1]，可通过角度的测量获得介质的折射率信息，从而将折射率的测量转化为角度的测量。根据Snell定律，可以设计出多种测量折射率的方法，包括全反射临界角法（即阿贝法）、V棱镜法、最小偏向角法等；2）波动光学原理。在光的波动理论中，相干光的相位差与折射率有关，通过测量相位差即可获得介质的折射率信息；这类测量方法主要有牛顿环干涉法[2]、迈克尔逊干涉法、劈尖干涉法、表面等离子体共振光子晶体光纤法[3]、法布里-泊罗干涉法[4-5]、光学频率梳法[6-7]等，它们的理论基础都是干涉效应；3）其他。2018年李旭峰等[8]采用时域有限差分法研究了一维光子晶体传感器的透射光谱随溶液折射率的变化情况，这种方法为溶液浓度及折射率的测量提供了参考。

值得注意的是影响液体折射率的因素有很多，除了测量方法自身因素的限制，采用的光源的波长、被测样品的温度以及样品本身的光学特性都会影响折射率的测量结果，因此液体折射率的高精度测量是涉及多方面的测量控制。目前世界各国都在竞相开展高准确度液体折射率的测量溯源方法及标准物质的研究。德国联邦物理研究院（PTB）基于精密测角仪最小偏向角法，研制了纯水和其他4种有机纯物质作为原料的液体折射率标准物质，其测量不确定度在1×10?5～3×10?5之间；日本国家计量院（NMIJ）研制了一套基于激光干涉法可变光程的液体折射率测量装置，并取得了与精密测角仪最小偏向角法等效的测量结果[9]；美国国家标准与技术研究院（NIST）基于精密测角仪最小偏向角法研制了矿物油折射率标准物质SRM1922，其测量不确定度为6×10?5；波兰、葡萄牙等国家计量院也在进行相关研究。国内，中国计量科学研究院（NIM）基于精密测角仪最小偏向角法建立了玻璃材料折射率标准装置[10]，其测量不确定度不大于5×10?6[11]，这是目前我国折射率的最高计量标准。但该装置只能针对加工成三棱镜的玻璃材料进行折射率测量，无法直接对液体折射率进行测量。国内现有的液体折射率标准物质（GBW(E)130147～GBW(E)130151）[12]基于阿贝折射仪全反射临界角法研制，测量不确定度为2×10?4，其技术指标已经落后于世界先进水