Nowa generacja przyrządów łączy konwencjonalny spektrofotometr z fluorymetrem
Otaczający nas świat jest barwny i jasny. Neonowe barwy od kilku lat wracają do mody. Powstawanie takich kolorów wymaga stosowania pigmentów fluorescencyjnych w przemyśle farb, tworzyw sztucznych i wielu innych. Chociaż są one szeroko stosowane od wielu lat, kontrola jakości materiałów fluorescencyjnych nadal pozostaje poważnym wyzwaniem. Poniższy artykuł przypomina teoretyczne podstawy fluorescencji, wskazuje, dlaczego standardowy spektrofotometr nie nadaje się do kontroli jakości materiałów fluorescencyjnych i jakie możliwości oferuje nowe połączenie spektrofotometru i fluorymetru — szczególnie w odniesieniu do przewidywania stabilności barwy.
Często dyskutowanym zagadnieniem jest zgodność wartości absolutnych parametrów koloru L*a*b* tej samej próbki mierzonej różnymi spektrofotometrami. Nawet jeśli zachowana jest jednakowa geometria pomiarowa i zadeklarowane jednakowe standardowe oświetlenie, różnice w odczycie L*a*b* mogą być znaczące. Fakt ten spowodowany jest różną konstrukcją spektrofotometrów, różnymi materiałami wykonania i w końcu różnymi standardami odniesienia w kalibracji fabrycznej.
Problem pogłębia się jeszcze bardziej, gdy badany materiał lakierowy zawiera pigment wykazujący właściwości fluorescencyjne.
Krótka teoria fluorescencji
Nazwa pochodzi od fluorescencyjnego minerału fluorytu (fluoryt, fluorek wapnia, CaF2). Fluorescencja to właściwość atomów i cząsteczek, tzw. fluoroforów, polegająca na pochłanianiu światła o określonej długości fali, a następnie emitowaniu światła o innej długości fali. Różnica między długością fali wzbudzenia a długością fali emisji jest znana jako przesunięcie Stokesa. Emitowane światło fluorescencyjne jest zwykle przesuwane w kierunku długofalowym widma światła w porównaniu ze światłem wzbudzenia. Fenomen ten opiera się na zasadzie przemian energetycznych zachodzących na poziomie cząsteczek, co ukazuje rysunek nr 1.
Rysunek 1. Diagram Jabłońskiego (góra) i dane widmowe jako rozkład normalny Gaussa ze szczególnym uwzględnieniem maksimów wzbudzenia i emisji (dół)
Ograniczenia spektrofotometru
Głównym celem spektrofotometru jest scharakteryzowanie materiału pod względem jego właściwości widmowych. Osiąga się to poprzez oświetlenie próbki, a następnie zmierzenie intensywności światła po jego odbiciu. Przy pomiarze materiału bez fluorescencji światło o określonej długości fali, które pada na powierzchnię, jest ponownie emitowane przy tej samej długości fali. W rezultacie powstaje typowe widmo remisji, znane również jako krzywa widmowa (reflektancji) lub krzywa koloru. Jeśli w materiale znajdują się również fluorofory, tradycyjny spektrofotometr nie jest w stanie odróżnić remisji (odbicia) materiałów niefluorescencyjnych od emisji składników fluorescencyjnych. W rezultacie powstaje połączenie widm odbicia i emisji, co może prowadzić do problemów interpretacji wyniku pomiaru.
Spektrofotometry jako źródło światła mają wbudowane różne rodzaje lamp. Przykładowo, podczas gdy lampa halogenowa wolframowa nie emituje prawie żadnych fotonów w niewidzialnym zakresie UV, lampa błyskowa ksenonowa dostarcza dużo energii w tym zakresie. Te dwa źródła światła różnią się również w zakresie fal krótkich, niebieskim widma widzialnego: lampa błyskowa ksenonowa emituje znacznie więcej energii niż lampa halogenowa. W zależności od specyficznych właściwości fluoroforów zawartych w materiale skutkuje to różnymi poziomami wzbudzenia, a zatem różnymi poziomami i długościami fal emisji (barwami) w obszarze widzialnym. Z tego możemy wywnioskować, że widma odbicia tej samej próbki fluorescencyjnej wykryte za pomocą różnych spektrofotometrów wyraźnie różnią się i tym bardziej nie można porównywać wyników pomiarów CIELab.
Odporność na promieniowanie UV i starzenie
Materiały i farby ze składnikami fluorescencyjnymi są generalnie uważane za mniej odporne na światło. Na stabilność świetlną farb i powłok wpływają na przykład pigmenty, spoiwo i grubość warstwy farby. Degradacja pigmentów fluorescencyjnych w świetle dziennym pod wpływem promieniowania UV prowadzi do utraty fluorescencji i blaknięcia produktów. Utrata fluorescencji jest zauważalna w bieli na przykład przez żółknięcie, a w innych odcieniach poprzez ciemnienie.
Spektrofotometr i najmniejszy na świecie fluorymetr w jednym
Kontrola jakości materiałów fluorescencyjnych powinna przebiegać za pomocą fluorymetru, lecz na skalę przemysłową jest to prawie niemożliwe ze względu na długi czas analizy i wysokie koszty. Jak więc realizować przemysłową kontrolę jakości materiałów fluorescencyjnych?
Rozwiązanie proponuje BYK-Gardner GmbH, wbudowując dedykowany fluorymetr w dwóch rodzinach urządzeń: spectro2guide – spektrofotometr przenośny, dostępny w geometriach pomiarowych 45°c:0° i d:8° (spin/spex) oraz Color2view – spektrofotometr stołowy w geometrii pomiarowej 45°c:0°.
Od 30 lat standardową praktyką tej firmy jest stosowanie nowoczesnych diod LED jako źródła światła we wszystkich urządzeniach, ponieważ charakteryzują się one doskonałą stabilnością, a tym samym stanowią podstawę wyjątkowej powtarzalności i odtwarzalności urządzeń. Aby zapewnić białe światło polichromatyczne do pomiaru barwy widmowej, zastosowano diody LED „Full Spectrum” z trzema luminoforami, które zostały specjalnie opracowane, by jak najdokładniej naśladować widmo naturalnego światła słonecznego (rys. 2).
Do detekcji i pomiaru fluorescencji przyjęto zasadę pomiaru fluorymetru i zastosowano 12 monochromatycznych diod LED jako źródła wzbudzania fluorescencji. Działają one w zakresie od 360 do 660 nm (300 do 700 nm dla color2view) i są one włączane w odpowiedniej sekwencji w czasie każdego pomiaru. W ten sposób spektrofotometr zapisuje 12 krzywych koloru (w przypadku color2view – 18) dla fluorescencji, w dodatku do głównej krzywej spektralnej dla światła białego. Łącząc spektrofotometr i fluorymetr w jednym przyrządzie, spectro2guide i color2view są w stanie odróżnić emisję od remisji, czyli oddzielić liczbowo efekt fluorescencji od odbicia bez tego efektu.
