Farbmessung fluoreszierender Farben – eine HERAUSFORDERUNG

1. Einleitung

Ein einheitlicher Farbeindruck steht für Qualität. Besonders bei Produkten, die aus mehreren Teilen unterschiedlicher Materialien bestehen und womöglich noch an verschiedenen Standorten produziert werden, kann ein einheitlicher Farbeindruck nur gewährleistet werden, wenn alle Einzelteile hinsichtlich Ihrer Farbqualität mittels eines Spektralphotometers kontrolliert werden.

Sobald fluoreszente Inhaltsstoffe eingesetzt werden, ist die ansonsten eindeutige Remissionskurve (spektraler Fingerabdruck) abhängig von der im Spektralphotometer verwendeten Lichtquelle. Damit sind die Messergebnisse von unterschiedlichen Spektralphotometern nicht mehr vergleichbar und die Korrelation mit dem visuellen Eindruck unter einer bestimmten Lichtart ist nur bedingt gewährleistet. Im Folgenden soll erläutert werden, warum Standard-Spektralphotometer nur sehr bedingt zur Beurteilung der Farbqualität von Materialien mit fluoreszenten Inhaltsstoffen geeignet sind, welche Problemstellungen damit einher gehen und welche mittlerweile auf dem Markt verfügbare Messtechnik zukünftig Abhilfe schaffen wird.

2. Beschreibung von Fluoreszenz

2.1    Beschreibung von Fluoreszenz

Der Name Fluoreszenz ist von dem fluoreszierenden Mineral Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF2) abgeleitet. Fluoreszenz ist die Eigenschaft von Atomen und Molekülen, sogenannten Fluorophoren, Licht bei einer bestimmten Wellenlänge zu absorbieren und anschließend Licht mit anderer Wellenlänge zu emittieren. Der Unterschied zwischen der Anregungswellenlänge und der Emissionswellenlänge wird als Stokes-Verschiebung bezeichnet. Das emittierte Fluoreszenzlicht ist in der Regel gegenüber dem Anregungslicht in den langwelligen Bereich des Lichtspektrums verschoben.

Worauf beruht dieser Effekt? Das Prinzip wird in Abbildung 1 erklärt. Die meisten Moleküle nehmen bei Raumtemperatur den niedrigsten Energiezustand ein, den so genannten Grundzustand (S0). Innerhalb dieses Grundzustands gibt es unterschiedliche Schwingungsniveaus. Bevor sie angeregt werden, nehmen viele Moleküle das niedrigste Schwingungsniveau ein. Wenn ein Molekül eine bestimmte Wellenlänge des Lichts absorbiert (blauer vertikaler Pfeil), bewirkt das absorbierte Photon, dass das Molekül einen höheren Schwingungsenergiezustand einnimmt (S1 und S2). Die Moleküle stoßen dann mit anderen Molekülen zusammen, wodurch sie ihre Schwingungsenergie (rote, geschwungene Pfeile) verlieren und auf das niedrigste Schwingungsniveau des angeregten Zustands zurückkehren. Das Molekül kann dann in den Grundzustand (S0) zurückkehren.[1]

Wenn das Molekül in den Grundzustand zurückkehrt, emittiert es ein Lichtphoton mit einer anderen Wellenlänge als der, mit der es angeregt wurde. Dies ist der Moment, in dem das Molekül Fluoreszenz zeigt (grüner vertikaler Pfeil). Chemiker bezeichnen Moleküle, die Fluoreszenz zeigen können, als Fluorophore. [2] Die Zustände und Übergänge von Elektronen in einem Fluorophor sind komplex, lassen sich aber mit Hilfe des Jablonski-Diagramms veranschaulichen (Abb. 1).

2.2    Arten und industrielle Anwendungen von Fluorophoren

Fluoreszierende Moleküle und Materialien gibt es in allen Formen und Größen. Einige sind von Natur aus fluoreszierend, wie beispielsweise Chlorophyll. Bei anderen handelt es sich um Moleküle, die speziell als stabile organische Farbstoffe synthetisiert wurden, die ansonsten nicht fluoreszierenden Systemen hinzugefügt werden. Je nach Größe und Struktur können organische Farbstoffe vom UV bis ins nahe IR emittieren. Ganz allgemein lassen sich kommerzielle, fluoreszierende Farbstoffe in drei Hauptgruppen unterteilen: anorganische Fluorophore, optische Aufheller und Tageslicht-Leuchtstoffe.

Anorganische Fluorophore: Auch wenn der Begriff „Fluoreszenz“ auf dem Mineral Fluorit (CaF2) basiert, konnte man später zeigen, dass die beobachtete Fluoreszenz nicht von dem Fluorit selbst stammt, sondern durch Verunreinigungen mit zweiwertigem Europium verursacht wurde. Europium gehört zur Gruppe der Lanthanoide und zählt damit zu den Metallen der Seltenen Erden. Die Fluoreszenz von Europium weist eine sehr große Stokes-Verschiebung auf und ist darüber hinaus extrem photostabil. [3] Das Element findet häufig in sicherheitsrelevanten Produkten seine Anwendung, wie in Geldscheinen, Ausweisdokumenten und verleiht auch der Euro-Banknote die gewünschte Fälschungssicherheit (Abb. 2).

Optische Aufheller: Die bekannteste Gruppe der Fluorophore sind die sogenannten Optischen Aufheller, die Ihre häufigste Anwendung in der Textil-, Papier- und in Kunststoffindustrie finden. Optische Aufheller sind Stoffe, deren Anregungsmaxima im UV-Bereich liegen (meist zwischen 300 – 400 nm) und im Bereich von 400 – 480 nm, idealerweise zwischen 430 – 450 nm emittieren. Heißt, nicht sichtbare, eintreffende UV-Strahlung aus dem Tageslicht wird im kurzwelligen, blauen Bereich des sichtbaren Lichts zurückgestrahlt. Durch die Emission von zusätzlichem, blauem Licht wird ein leichter Gelbstich des Grundmaterials kompensiert und somit der Weißgrad gesteigert. Zum Teil steigt die Remission über 100% wodurch das Grundmaterial „weißer als Weiß“ erscheint. Die aktuell verwendeten optische Aufheller lassen sich in sechs Gruppen einteilen. Die sog. Stilben-Verbindungen bilden mit einem Anteil von etwa 80 % aller produzierten optischen Aufheller die größte Gruppe. [4]

Tageslicht-Leuchtstoffe: Tageslicht-Leuchtstoffe haben sowohl Anregungs- als auch Emissionsmaxima im sichtbaren Bereich des Spektrums, so dass fast jede Lichtquelle die Anregung der Materialien bewirken kann. Sie finden in vielen Bereichen Anwendung, von hell gefärbten Papieren, Lacken bis hin zu Kunststoffprodukten. Sie sind sehr effektiv, weil sie die Lichtausbeute bei bestimmten Wellenlängen zum Teil weit über das hinaus steigern, was allein durch Reflexion erzeugt werden kann. Ein rotes, gelbes oder orangefarbenes Material mit einem scheinbaren Reflexionsgrad von über 100 % R kann durch eine Kombination aus Reflexion, der nicht fluoreszierenden Komponente und Emission des Fluorophors erzeugt werden (Abb. 3).

2.3    UV-Beständigkeit und Alterung   

Materialien und Farben mit fluoreszenten Inhaltsstoffen gelten allgemein als wenig lichtbeständig. Die Lichtbeständigkeit wird bei Farben und Lacken u.a. durch die Pigmente, das Bindemittel und die Dicke des Farbauftrags beeinflusst. Je stärker pigmentiert und je dicker die Schicht ausgeführt ist, desto höher ist die Lichtbeständigkeit. Bei beiden Faktoren sind jedoch Grenzen gesetzt, da bei zu hoher Pigmentierung und auch bei zu großer Schichtdicke der Fluoreszenz-Effekt eingeschränkt wird. 

Besonders Tageslicht-Fluoreszenzfarben sind empfindlich gegenüber Licht und UV-Strahlung sowie Wärme. UV-verursachte Degradation der Tagesleuchtfarbe führt zum Verlust der Fluoreszenz und einem Ausbleichen der Chromophore. Der Verlust der Fluoreszenz ist bei Weiß durch eine Vergilbung bei anderen Farbtönen durch eine Verdunkelung wahrnehmbar. Die Zerstörung der Chromophore, der farbgebenden chemischen Strukturen, führt zu einem Ausbleichen der Pigmente. [5]

Abbildung 1 Jablonski-Diagram (top) and spectral data as Gaussian normal distribution with focus on excitation & emission maxima (bottom)

Abbildung 2 Deutsche Bundesbank, Central Communications Division, “The new 20 Euro banknote”, February 2015

Abbildung 3 Spectral curve yellow and luminous yellow

3. Messprinzip eines konventionellen Spektralphotometers

Es gab und gibt unterschiedliche Bauformen von Spektralphotometern, eines haben sie jedoch alle gemein: Der Hauptzweck eines Spektralphotometers besteht darin ein Material spektral zu charakterisieren. Dies wird erreicht, indem Licht auf die Probe geleitet und dann die Intensität des Lichts gemessen wird, nachdem es mit der Probe interagiert hat.

Bei der Messung mit einem Spektralphotometer spielt die Lichtquelle, durch die das Material beleuchtet wird, eine zentrale Rolle. Zum derzeitigen Stand der Technik finden drei unterschiedliche Lampenarten als Beleuchtung Anwendung: Wolfram-Halogenlampen, Xenon-Blitzlampen oder LEDs. Verwendet ein Spektralphotometer eine polychromatische Lichtquelle, muss das Spektrum des Lichts aufgefächert, d.h. gleichmäßig nach Wellenlänge aufgeteilt werden, was durch einen Monochromator, in der Regel durch ein Beugungsgitter, erfolgt. Ein Beugungsgitter ist eine Glas- oder Metallplatte mit sehr engen parallelen Linien, die durch Beugung und Interferenz des Lichts ein Spektrum erzeugen. Das aufgefächerte Spektrum wird anschließend Wellenlänge für Wellenlänge durch Sensoren, beispielsweise Photodetektoren, gemessen. Photodetektoren messen Licht, indem sie eintreffende Photonen in ein elektrisches Signal umwandeln. Als Ergebnis liegt am Ende für jeden gemessenen Wellenlängenbereich die jeweilige Strahlungsintensität oder auch Remission vor.

Die Beleuchtung der Probenoberfläche erfolgt üblicherweise in dem visuell sichtbaren Wellenlängenbereich von 400 – 700 nm. Hochwertige Spektralphotometer deren Lichtquellen einen UV-Anteil besitzen, können mit einem sog. UV-Sperrfilter versehen werden, um die Energie der Beleuchtung auf das sichtbare Spektrum zu beschränken. Spektralphotometer deren Lichtquelle keinen UV-Anteil besitzt werden zum Teil durch eine zusätzliche UV-Lichtquelle (z.B. eine UV-LED) ergänzt. Durch den Vergleich zweier Messungen, eine mit und eine ohne UV-Anteil, soll festgestellt werden, ob ein Material Fluorophore enthält. Dieser Vergleich lässt nur quantitative Aussagen über Fluorophore zu, die im UV-Bereich angeregt werden.

Abbildung 4 Functional principle of a spectrophotometer

4. Einschränkungen eines konventionellen Spektralphotometers

4.1    Fehlende Differenzierung zwischen Remission und Emission

Die Remission eines Objekts bestimmt seine Farbe. In einem nicht fluoreszierenden Molekül werden Photonen absorbiert, die sofort wieder in den ursprünglichen Energiezustand zurückfallen. Dabei wird die Energie in Form von Wärme abgegeben oder einfach ein Photon gleicher Wellenlänge emittiert. (Abb. 5)

Vereinfacht ausgedrückt wird das Licht einer spezifischen Wellenlänge, das auf die Oberfläche auftrifft bei der gleichen, spezifischen Wellenlänge remittiert. Spektralphotometer werden eingesetzt, um genau diesen Vorgang zu analysieren. Das Ergebnis ist ein typisches Remissionsspektrum oder auch Spektralkurve genannt, welche einzigartig für das Objekt ist. Wenn sich in einem Material auch Fluorophore befinden, kann ein traditionelles Spektralphotometer jedoch nicht zwischen der Remission, der nicht fluoreszierenden Materialien und der Emission der fluoreszierenden Bestandteile unterscheiden. Das Resultat ist somit eine Kombination aus Remissions- und Emissionsspektrum, was zu Problemen bei der Qualitätskontrolle führen kann. [6]

4.2    Abhängigkeit von der eingebauten Beleuchtung

Die folgende Grafik zeigt beispielhaft die spektrale Leistungsverteilung einer Xenon-Blitzlampe und einer Wolfram-Halogenlampe (Abb. 6).

Während die Wolfram-Halogenlampe nahezu keine Photonen im nicht sichtbaren UV-Bereich abstrahlt, besitzt die Xenon-Blitzlampe viel Energie in diesem Bereich. Auch im kurzwelligen, blauen Bereich des sichtbaren Spektrums unterscheiden sich die beiden Lichtquellen: Die Xenon-Blitzlampe strahlt wesentlich mehr Energie auf die Probenoberfläche als die Wolfram-Halogenlampe. In Abhängigkeit der spezifischen Charakteristika der im Material enthaltenen Fluorophore kommt es folglich zu einer unterschiedlich starken Anregung und daraus resultierend zu einer unterschiedlich starken Emission. Daraus lässt sich ableiten, dass sich die Remissionsspektren der gleichen fluoreszenten Probe, die mit unterschiedlichen Spektralphotometern detektiert wurden in Abhängigkeit der verbauten Lichtquelle eindeutig unterscheiden. Ein traditionelles Spektralphotometer ist somit nicht in der Lage, die Kombination aus Remissions- und Emissionsspektrum eines fluoreszenten Materials unabhängig von der im Messgerät verbauten Beleuchtung zu beurteilen. 

Zunächst ein Beispiel anhand der Spektralkurven von optisch aufgehelltem Papier, detektiert von zwei traditionellen Spektralphotometern mit unterschiedlichen Lichtquellen sowie dem spectro2guide von BYK-Gardner. Es ist deutlich zu erkennen, dass durch den UV-Anteil der Xenon-Blitzlampe eine wesentlich stärkere Anregung der optischen Aufheller erfolgt als durch die Wolfram-Halogenlampe und somit entsprechend mehr Energie im blauen Wellenlängenbereich emittiert wird. Der Reflexionsgrad gemessen mit der Wolfram-Halogenlampe liegt maximal bei rund 95% (orange Linie), der gemessene Wert der Xenon-Blitzlampe (graue Linie) bei rund 120% kombiniert aus Reflexion und Emission (Abb. 7).

Folgerichtig lassen sich auch die CIELAB Messergebnisse fluoreszenter Proben, die mit unterschiedlichen Spektralphotometern erzielt wurden, nicht vergleichen.  Die folgende Tabelle macht anhand von CIELAB Messergebnissen auf einem nur geringfügig fluoreszentem Coil Coating Probenpaar deutlich, dass bereits eine geringe Menge an Fluoreszenz zu erheblichen Unterschieden führen kann. Das Ergebnis ermittelt mit dem Xenon Blitzlampen Spektralphotometer könnte beispielsweise zu einem „Pass“ in der Qualitätskontrolle führen, während das Tungsten Halogenlampen Messgerät ein „Fail“ für das Probenpaar ausgibt (Tab. 1). 

Abbildung 5 Absorption/Remission of Material without fluorescence

Abbildung 6 Spectral Power Distribution Xenon-Flash and Tungsten-Halogen Lamp

Abbildung 7 Brightened paper measured with spectrophotometers from different manufacturers

Abbildung 8 Comparison of different spectrophotometers on a fluorescent sample pair

5. Methoden zur Untersuchung eines Materials auf Fluoreszenz

5.1    Messungen mit und ohne UV-Anteil

In Ermangelung geeigneter Messtechnik für die industrielle Qualitätskontrolle von fluoreszentem Probenmaterialien war bis dato der Stand der Technik für ein Probenpaar zwei Messreihen – eine mit und eine ohne UV-Anteil – durchzuführen. Unterschieden sich die ermittelten CIELAB Werte beider Messreihen konnte darauf geschlossen werden, dass das Material Fluorophore beinhaltet, die im UV-Bereich angeregt werden. Je nach Höhe der Differenzen konnten Rückschlüsse bezüglich der Quantität der Fluorophore gezogen werden. Der Nachteil dieser Methodik ist offensichtlich: Zum einen handelt es sich mehr um eine relative Aussage als um eine tatsächliche Messgröße. Zum anderen kann nur eine Aussage zu Fluorophoren gemacht werden, deren Anregung im UV-Bereich erfolgt. Das weite Feld der Fluorophore, die im visuellen Bereich angeregt werden, werden bei dieser Art der Betrachtung völlig außer Acht gelassen.

5.2    Fluoreszenzspektroskopie (Fluorimeter)

In der Wissenschaft werden Fluoreszenz-Spektrometer verwendet, um Fluorophor-Moleküle anzuregen und ihre emittierte Fluoreszenz zu messen. Die Fluoreszenzspektroskopie analysiert die Fluoreszenz eines Moleküls auf der Grundlage seiner fluoreszierenden Eigenschaften. In das Fluoreszenzspektrometer wird Licht mit Hilfe einer Beleuchtungsquelle, vorzugsweise einer Xenonlampe mit möglichst breitem Spektrum bis in den tiefen UV-Bereich (~ 200 nm), eingeleitet. Das Licht durchläuft einen Monochromator, der eine spezifische Wellenlänge herausfiltert, anschließend wird das Licht auf die zu analysierende Probe gelenkt. Die Probe sendet ein Emissionsspektrum aus, das von einem nachgeschalteten Spektrometer aufgenommen wird. Zur Messung von fluoreszenten Proben wird dieser Vorgang nacheinander von 360 nm – 700 nm in ein Nanometer Schritten wiederholt. In Abhängigkeit von der gewünschten Signalgüte und Auflösung dauert eine Einzelmessung ca. 1 Sekunde so dass die Beurteilung des gesamten Wellenlängenbereiches 360 – 700 nm bis zu 2 Stunden betragen kann. Resultat sind 340 Emissionsspektren. (Abb. 8) 

Eine grafische Auswertung, die häufig eingesetzt wird, ist die sog. Exitation-Emissions-Matrix (EEM). Eine EEM ist ein 3D-Scan, der ein Konturdiagramm von Anregungswellenlänge, Emissionswellenlänge und Fluoreszenzintensität ergibt. EEMs werden für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet und werden oft als "molekularer Fingerabdruck" für viele verschiedene Arten von Fluorophoren-Proben bezeichnet. [7] Man könnte sie im weitesten Sinne mit dem spektralen Fingerabdruck einer nicht fluoreszenten Probe vergleichen, der mit einem Spektralphotometer erfasst wird. 
Die Fluoreszenzspektroskopie findet mannigfaltige Anwendung in Forschung und Wissenschaft. Die Methode wird beispielsweise in der Biomedizin für die Untersuchung von Proteinen, Nukleinsäuren und lebenden Zellen genutzt. Industriellen Einsatz, speziell für die Qualitätskontrolle, findet die Fluoreszenzspektroskopie fast ausschließlich in der Pharmazie sowie Lebensmitteltechnologie, da die Anschaffungskosten für ein Fluoreszenzspektroskop (Fluorimeter) wesentlich höher liegen als für ein Spektralphotometer und auch die Messdauer exponentiell länger ist. 

Abbildung 9 Donaldson / EEM Matrix

6. Spectrophotometer & World's Smallest Fluorimeter in One

As already described in the previous chapters, measurement results obtained with different spectrophotometers on fluorescent material are only comparable to a limited extent or not at all, depending on the physical design and built-in light source of the measuring instrument and the specific excitation characteristics of the fluorophores. However, quality control of fluorescent materials on an industrial scale with a fluorimeter is hardly possible due to the long analysis time and high costs. So how can the industrial quality control of fluorescent material be realized?

6.1    Requirements for Instrumental Measurement of Color and Fluorescence

BYK-Gardner has set itself the goal of enabling industrial quality control of fluorescent materials such as plastics, paints, paper and textiles with a completely new and innovative method that matches the visual impression under all light conditions. For this purpose, a spectrophotometer was to be combined with a miniaturized fluorimeter in a handy - if possible, even portable - measuring instrument. The measurement time for each individual measurement should be only slightly longer than is the case for the measurement of a non-fluorescent solid color. The purchase costs should also be within the range of a traditional spectrophotometer for solid colors.

This target was realized in two instrument families: spectro2guide is a portable spectrophotometer that is available with a 45°c:0° and a d:8° (spin/spex) measuring geometry. The color2view is a table-top spectrophotometer with 45°c:0° measuring geometry. In the following text, both device names are omitted to simplify readability.

6.2    Physical Design and Measurement Principle

It has been standard practice at BYK-Gardner for 30 years, to use LEDs as light source in all instruments, as they have excellent short-term, long-term and temperature stability and thus provide the basis for outstanding repeatability and instrument agreement. To provide polychromatic light for the spectral color measurement, the two new instrument families use so-called “Full Spectrum”-LEDs with three phosphors, which have been specially developed to imitate the spectrum of natural sunlight as precisely as possible (Fig. 9). [8] 

To evaluate the fluorescence, the measuring principle of a fluorimeter was adopted in a simplified form. 12 monochromatic LEDs each equipped with a narrowband interfernce filter are used as the photon source in the portable measuring device  (360 - 660 nm) while the benchtop spectrophotometer uses 18 (300 - 700 nm), which illuminate the sample surface sequentially (Fig. 10). For each individual measurement with the monochromatic LEDs, the spectral power distribution of the excitation is calculated and set in relation to the mesured spectral power distribution of the emission.

In contrast to a traditional spectrophotometer, not just one but up to 19 spectral curves are detected on a sample containing fluorophores: one illuminated with polychromatic light and 18 others illuminated with monochromatic light. The two graphs below show as an example the excitation spectrum of the first five monochromatic LEDs (Fig. 11) as well as the remission at the same wavelength and the emission in the lower-energy, long-wavelength range (Fig. 12) for the sample RAL 1026 “Luminous yellow”. The excitation maximum of LED 02 (yellow), for example, is at 415 nm and therefore in the visible range. However, only a fraction of the original excitation energy is reemitted at the same wavelength, the majority of the energy is emitted between 490 - 650 nm with a peak at 530 nm.

By combining a spectrophotometer and fluorimeter, the two instrument families spectro2guide and color2view are able to differentiate between remission and emission. This is the basis for the internal calculation of the so-called “zero curve”. The zero curve corresponds to the spectrum of the measured material without a shift from excitation to emission wavelength and thus enables the evaluation of a fluorescent material independently of the spectral power distribution of the light source installed in the instrument. For the first time, the “Zero-Curve” enables the calculation of correct L*a*b* values depending on the selected standard illuminant for fluorescent sample material. For this purpose, the known excitations are set into relation to the selected illuminant and the remission spectrum is corrected using the correspondingly weighted emission spectra for each monochromatic LED. Thus, guaranteeing an excellent match with the visual impression.

Abbildung 10 Full Spectrum LED with three phosphors used for BYK devices (left), Commercial “Full Spectrum”-LED with only two phosphors (right)

Abbildung 11 Monochromatic LEDs in the portable spectro2guilde (left) and benchtop color2view (right)

Abbildung 12 Example of the calculated excitation spectrum of 5 monochromatic LEDs of the spectro2guide

Abbildung 13 Emission spectrum of 5 monochromatic LEDs measured for sample RAL 1026

Abbildung 14 Luminous Yellow measured with spectro2guide, Standard Illuminants A and D65 and zero curve

7. Fluoreszenz Datenanalyse oder Vorhersage der Langzeitfarbbeständigkeit

7.1    Fluoreszenz Slider

Die zu beiden Messgeräten-Familien zugehörige Software ermöglicht eine detaillierte grafische Analyse der spezifischen Charakteristika der im Material enthaltenen Fluorophore. Mittels eines Sliders kann die gewünschte monochromatische LED (Anregungswellenlänge) ausgewählt werden und die zughörigen Emissionsspektren werden unmittelbar ausgegeben. Vergleicht man in der unteren Grafik, die Probe (rechts) mit dem Standard (links) bei der Anregungswellenlänge 570 nm stellt man fest, dass sich die Emissionsspektren signifikant unterscheiden. Während das Emissionsspektrum des Fluorophors im Standard zwei eindeutigen Peaks bei 620 nm sowie 670 nm aufweist, emittiert der Fluorophor in der Probe über den kompletten Bereich von 590 – 760 nm kaum noch Licht. Es kann folglich eindeutig nachgewiesen werden, dass sich die Materialzusammensetzung von Standard und Probe hinsichtlich der verwendeten Fluorophore und damit einhergehend hinsichtlich des optischen Eindrucks und eventuell auch hinsichtlich Ihrer Langzeitstabilität unterscheiden.

Die Analysemöglichkeiten mit Hilfe des Sliders lassen sich wie folgt zusammenfassen: 

• Ein Material, dass keine Fluorophore enthält, zeigt eine Nulllinie, da kein Licht emittiert wird. 
• Materialien, die die gleichen Fluorophore beinhalten, zeigen die gleiche Emissionsspektren, da die Emission-Eigenschaften identisch sind. Die Emissionsspektren können sich jedoch in Abhängigkeit der beigefügten Menge der Fluorophore in der Intensität unterscheiden. 
• Weicht bereits die Form der Emissionsspektren voneinander ab, ist von unterschiedlichen Fluorophoren auszugehen. 

7.2    Neue Indizes dE Fl und dE zero

Zur vereinfachten Bewertung wurden zwei neue Indizes entwickelt um die Fluoreszenz-energie zu Quantifizierung: dE FL und dE zero.

dE Fl beschreibt, die Änderung des visuelle Farbeindruck eines Materials, unter der Annahme, dass alle beinhalteten Fluorophore zerfallen sind. Es handelt sich also nicht um einen klassischen „Probe zu Standard“-Vergleich, sondern um einen Vergleich einer Probe im „Ist“-Zustand zu einem in der Zukunft liegenden prognostizierten Zustand. Beispielsweise das optisch aufgehellte, weiße Blatt Papier jetzt im Vergleich zum vergilbten Blatt Papier, sobald dieses der Sonne ausgesetzt war.
dE zero beschreibt die Farbharmonie zwischen dem Standard und einer Probe unter der Annahme, dass alle beinhalteten Fluorophore zerfallen sind. Man stelle sich mehrere weiße Kunststofffenster an einer Häuserfront vor. Für den Kunden ist es nicht nur relevant, dass die Fenster zum Zeitpunkt der Montage das gleiche Weiß aufweisen, sondern auch dass sich diese im Laufe der Zeit einheitlich verändern. Vergilbt ein Fenster stärker als alle anderen, weil weniger oder andere Fluorophore verwendet wurden, verschlechtert sich die zukünftige Farbharmonie. dE zero (zukünftige Farbharmonie) ist in diesem Beispiel signifikant höher als dE (aktuelle Farbharmonie). 
Die Berechnungen der Indizes dE Fl und dE zero basieren beide auf der jeweiligen vom Kunden verwendeten Farbdifferenzformel. Wird für die Qualitätskontrolle der Unifarbtöne zum Beispiel DECMC oder DE00 verwendet, so basiert das Ergebnis für dE Fl und dE zero auf der gleichen Formel. Das Ergebnis beider Indizes entspricht somit dem visuellen Farbeindruck: Je höher der Wert, desto größer die vorhergesagte Farbdifferenz nach Abbau aller Fluorophore. Wie für die anderen Farbdifferenzen kann auch für dE Fl und dE zero ein Limit im Standardmanagement eingestellt werden.  
Beide neuen Indizes werden nicht nur in der Software, sondern auch am Messgerätedisplay angezeigt. Als zusätzliche visuelle Unterstützung blinkt eine Status-LED am Messgerät blau, wenn Fluoreszenz detektiert wurde und pink, falls das definierte Limit für Fluoreszenz überschritten wurde.

Abbildung 15 Fluorescence Slider in smart-chart Software

Abbildung 16 dE Fl and dE zero in smart-chart Software

8. Vergleich der Ergebnisse mit dem Referenzfluorimeter

Im Folgenden werden die Ergebnisse eines Labor-Fluorimeters der Firma Horiba mit denen des color2view Spektralphotometer für Fluoreszenz verglichen. Für den Vergleich wird beispielhaft ein Probenpaar (Standard/Probe) aus weiß beschichtetem Metall (Bandbeschichtung) gemessen. Dieses wurde ausgewählt, da zum einen das im Standard verwendete Fluorophore sehr spezifische Charakteristika aufweist und zum anderen unterschiedliche Fluorophore eingesetzt wurden. Um eine bessere Vergleichbarkeit zu gewährleisten, werden die Ergebnisse der beiden Geräte als Excitation-Emission-Matrix (EEM) dargestellt.

Das im Standard enthaltene Fluorophore zeigt in der grafischen Auswertungen der Horiba Resultate (Abb. 16) sehr steile Flanken und fünf individuelle Emission-Peaks bei den Wellenlängen 620 nm, 640 nm und 670 nm. Steile Flanken als auch mehrere Peaks stellen eine besondere Herausforderung für jedes Messsystem dar, da die Voraussetzung für deren Detektion ein sehr feines Abtastraster für Anregung und Emission voraussetzt. Vergleicht man hierzu die aus dem Messergebnis des color2view resultierende Grafik (Abb. 17), stellt man eine sehr hohe Übereinstimmung zum Labor-Fluorimeter fest. Auch das miniaturisierte Fluorimeter im color2view ist in der Lage die 5 individuellen Emission-Peaks bei übereinstimmenden Wellenlängen zu lokalisieren. 

Der offensichtlichste Unterschied zwischen beiden Auswertungen ist die Höhe des Emission-Maxima bei 640 nm. Während in der Auswertung des Horiba Fluorimeter einer der fünf Peaks deutlich ausgeprägter ist als die anderen vier, ist das Emissions Maxima ermittelt mit dem color2view auf einer ähnlichen Höhe wie die beiden flankierenden Peaks. Die Begründung hierfür liegt wiederum in der sehr steilen Flanke des spitzzulaufenden Peaks. Um das finale Emissionsmaxima anzeigen zu können, muss die Detektion exakt an der korrekten Wellenlänge erfolgen. Da das Labor-Fluorimeter von Horiba engmaschiger detektiert als das miniaturisierte Fluorimeter im color2view, wird die Wellenlänge des Emissionsmaximums exakte getroffen. 

Diese Abweichung in der Ausprägung des Emissions-Maximas ist hinsichtlich der Kalkulation der Indizes dEFl sowie dEzero zu vernachlässigen, da beide Indizes über das Integral, heißt über die Fläche unter der Kurve berechnet werden. Entsprechend erfolgt die Darstellung der Emission in der smart-lab Datenanalyse Software auch nicht als 3D Model (EEM) sondern als Emission-Kurve in Abhängigkeit von der gewählten Anregungswellenlänge (Abb. 18). Details zum Fluoreszenz Slider können Kapitel 7.1 entnommen werden. 

Vergleicht man Standard zu Probe in Abbildung 16 (Horiba) und/oder 17 (color2view) wird in beiden Fällen deutlich, dass der Standard wesentlich mehr Licht emittiert als die Probe. Daraus lässt sich folgern, dass der Standard sich nach Zerfall aller Fluorophore stärker visuell verändert, als das bei der Probe der Fall ist. Diese Annahme kann durch die neu entwickelten Fluoreszenz-Indizes bestätigt werden: Das für den Standard kalkulierte dEzero ist mit einem Wert von 0,67 fast doppelt so hoch als das der Probe mit einem Wert von 0,3. Vergleicht man die aktuelle Farbharmonie von Standard und Probe (dE94 = 0,83) mit der Vorhersage für die zukünftige Übereinstimmung nach Zerfall aller Fluroeszenz (dE94 zero = 1,66), tritt auch hier eine deutliche Verschlechterung ein (Abb. 19). Details zu dE Fl und dE zero siehe Kapitel 7.1.

Abbildung 17 MME Horiba Laboratory Fluorimeter (Standard left, Sample right)

Abbildung 18 MME color2view Benchtop Spectrophotometer (Standard left, Sample right)

Abbildung 19 Fluorescence Slider, smart-lab Software, Excitation 570 nm, Emission 590 – 760 nm

Abbildung 20 dE Fl and dE zero in smart-chart Software

9. Zusammenfassung

Die neuen Geräte-Generation, spectro2guide (links) und color2view (rechts), kombiniert das klassische Spektralfotometer mit einem Fluorimeter und revolutioniert dadurch die Qualitätskontrolle (Abb.20): Einerseits können die Geräte durch eine einzelne Messung Klarheit darüber schaffen, ob in einem Material - eventuell unwissentlich - Fluorophore verwenden wurden und Abweichungen zwischen unterschiedlichen klassischen Spektralfotometern damit erklärt werden können. Anderseits bietet die neue Generation erstmalig ein erschwingliches und gleichzeitig exaktes Fluorimeter im industriellen Maßstab, dass die Qualitätskontrolle von fluoreszentem Material unabhängig von der im Messgerät verbauten Lichtquelle ermöglicht und somit vergleichbare CIELAB Messwerte liefert. Zu guter Letzt geben die neuen Indizes dE Fl und dE zero eine Prognose ab, wie stark sich eine fluoreszente Probe voraussichtlich auf Grund von Bestrahlung durch Tageslicht verändern wird bzw. wie die zukünftige Farbharmonie zwischen zwei Proben nach Zerfall aller fluoreszenten Inhaltsstoffe ausfallen wird.

Abbildung 21 Portable spectro2guide (left) and Benchtop instrument color2view (right)