Fluorescencja? To się kontroluje!

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.

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 interpretacja 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.

Parametryzacja fluorescencji

Oba typy spektrofotometrów informują na bieżąco o obecności lub braku fluorescencji – służy do tego odpowiedni wskaźnik LED, aktywowany przy pomiarze.

Spektrofotometry umożliwiają kontrolę powtarzalności składu chemicznego materiału pigmentowego przez wskazanie długości fali emisji i natężenia emisji w odpowiedzi na sygnał wzbudzenia. Służy do tego suwak Fluorescence Slider w oprogamowaniu smart-chart (rys, 3). Wędrując suwakiem po kolejnych długościach fal wzbudzenia w zakresie od 310 do 680 nm  odczytujemy na wykresie wzbudzonej emisji (EM) długości fal i natężenia promieniowania fluorescencyjnego.

W celu uproszczenia oceny opracowano także dwa nowe indeksy: dE FL i dE zero.

dE FL opisuje zmianę dE aktualnej fluorescencyjnej próbki wobec stanu gdy wszystkie zawarte w nim fluorofory ulegną rozpadowi. Nie jest to zatem klasyczne porównanie „próbki do standardu”, ale porównanie próbki w jej rzeczywistym, aktualnym stanie do przewidywanego stanu w przyszłości. Na przykład optycznie rozjaśniona, biała kartka papieru teraz w porównaniu do pożółkłej kartki papieru, gdy tylko została wystawiona na działanie słońca. Odczyt dE FL równy zero na danej próbce oznacza, ze nie zawiera ona pigmentów fluorescencyjnych.

dE zero opisuje różnicę kolorów między standardem odniesienia a próbką w sytuacji, gdy wszystkie fluorofory zawarte w obu uległy rozkładowi.

Obliczenia indeksów dE FL i dEzero opierają się na formule różnicy kolorów używanej przez klienta. Jeśli na przykład do kontroli jakości kolorów stałych stosuje się dECMC lub dE00, wynik dla dE Fl i dE zero opiera się na tym samym równaniu. Wynik obu indeksów odpowiada zatem wizualnemu wrażeniu koloru: im wyższa wartość, tym większa przewidywana różnica kolorów po degradacji wszystkich fluoroforów.

Nowa generacja przyrządów, spectro2guide (po lewej) i color2view (po prawej) na zdjęciu nr. 4, łączy konwencjonalny spektrofotometr z fluorymetrem, rewolucjonizując w ten sposób kontrolę jakości. Z jednej strony instrumenty te mogą wskazać jednym pomiarem, czy w materiale zastosowano fluorofory, z drugiej strony, nowa generacja oferuje po raz pierwszy niedrogi i jednocześnie dokładny fluorymetr, który umożliwia kontrolę jakości materiału fluorescencyjnego również na skalę przemysłową. Nowe indeksy dE Fl i dE zero zapewniają cenną prognozę, jak bardzo próbka fluorescencyjna zmieni się z powodu narażenia na światło słoneczne lub jak przyszła harmonia kolorów między dwiema próbkami zmieni się po rozpadzie wszystkich składników fluorescencyjnych.

Całość artykułu ukazała się na łamach czasopisma Lakiernictwo Przemysłowe 1/2025