IX CONGRESO NACIONAL

DEL COLOR ALICANTE 2010

Alicante, 29 y 30 de Junio, 1 y 2 de Julio de 2010

Universidad de Alicante

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El IX Congreso Nacional de Color cuenta con el apoyo de las siguientes entidades:

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IX Congreso Nacional de Color

Alicante,

29 y 30 de Junio, 1 y 2 de Julio

Universidad de Alicante

Departamento de Óptica, Farmacología y Anatomía Facultad de Ciencias

Instituto Universitario de Física Aplicada a las Ciencias y las Tecnologías (IUFACyT)

Universidad de Alicante

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IX CONGRESO NACIONAL DEL COLOR. ALICANTE 2010 COMITÉ ORGANIZADOR Presidente Francisco M. Martínez Verdú Universidad de Alicante Vicepresidente I

Vicepresidente II Secretaria Científica

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Tesorero Vocal

Vocal

Vocal

Vocal Vocal

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Valentín Viqueira Pérez Elísabet Chorro Calderón Verónica Marchante Bárbara Micó Vicent

Elena Marchante

Ernesto R. Baena Murillo

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IFA-CSIC Universidad de Alicante Universidad de Alicante Universidad de Alicante Universidad de Alicante Universidad de Alicante Universidad de Alicante Universidad de Alicante Universidad de Alicante Universidad de Alicante

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Pascual Capilla Perea Ángela García Codoner Eduardo Gilabert Pérez

José Mª González Cuasante

Francisco José Heredia Mira

Enrique Hita Villaverde Luís Jiménez del Barco Jaldo

Julio Antonio Lillo Jover

Francisco M. Martínez Verdú

Manuel Melgosa Latorre Ángel Ignacio Negueruela

Susana Otero Belmar

Jaume Pujol Ramo Javier Romero Mora

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CALIBRACIÓN PRELIMINAR DE UN ESPECTROFLUORÍMETRO MODULAR Y MULTIDISCIPLINAR

PARA LA MEDIDA DE COLORES FLUORESCENTES

Mª Mar Santamaría, Esther Perales, Valentín Viqueira, Francisco Miguel Martínez-Verdú

Dpto. de Óptica, Farmacología y Anatomía, Universidad de Alicante, Alicante verdu@ua.es

Resumen:

La medida y caracterización de colores fluorescentes en Ciencia del Color sigue siendo actualmente un reto en algunos aspectos. Así, ya no es habitual, debido al alto coste, encontrar en el mercado espectrofluorímetros bidireccionales, basados en 2 monocromadores, en empresas fabricantes de instrumentos convencionales de medida del color. En cambio, otras compañías con mayor oferta instrumental en fotónica sí que lanzan al mercado espectrofluorímetros para aplicaciones múltiples. Recientemente, nuestro grupo de investigación ha adquirido un instrumento de estas características, y el objetivo de esta contribución es presentar los pasos preliminares llevados a cabo para la calibración de dicho instrumento. Siguiendo recomendaciones CIE (CIE 182:2007), esta calibración va a consistir principalmente en varios pasos (ruido de fondo, medida de un blanco patrón no fluorescente, longitud de onda, linealidad, etc) para la obtención y representación de los factores de radiancia luminiscente biespectral, reflejada y total de cualquier muestra fluorescente. De esta forma, será posible a continuación calcular la apariencia del color de dicha muestra bajo cualquier observador patrón, iluminante y espacio uniforme de color, y realizar otras operaciones colorimétricas típicas como diferencias de color, caracterización de colorantes fluorescentes para formulación, gamas de colores, etc.

Palabras clave: Medida del color, fluorescencia, factor de radiancia, espectrofluorímetro bidireccional, calibración

INTRODUCCIÓN

El fenómeno cuántico de la fotoluminiscencia, emisión radiación óptica (UV, VIS e IR) causada por procesos no térmicos ante la absorción previa (excitación) de radiación UV y/o VIS, con sus variantes de fluorescencia (emisión instantánea, con tiempos de retraso inferiores a 100 ns después de la excitación óptica) y fosforescencia (retraso de emisión a partir de 100 ns), es actualmente de gran importancia en aplicaciones científicas e industriales [1-4], con un auge progresivo de extensión a otras nuevas aplicaciones (nanomateriales, geofísica planetaria, etc) [4-6].

En Ciencia y Tecnología del Color, el uso de materiales fluorescentes es muy amplio en textiles, papel, plásticos, señalización visual, tintas de impresión, etc [7-8], incluso en la evaluación del grado de simulación de luz diurna de fuentes artificiales de luz [9].

La medida y caracterización de colores fluorescentes en Ciencia del Color sigue siendo actualmente un reto en algunos aspectos como se apunta desde la CIE y otros institutos internacionales de metrología óptica [7, 10], siendo en la actualidad no más de 5 espectrofluorímetros calibrados para fines colorimétricos: BAM-Alemania, NPL-UK, NRC-Canadá, NIST-USA, y, recientemente, UAF-Finlandia. Así, ya no es habitual, debido al alto coste, encontrar en el mercado espectrofluorímetros bidireccionales, basados en 2 monocromadores, en empresas fabricantes de instrumentos convencionales de medida del color. En cambio, otras compañías con mayor oferta instrumental en fotónica sí que lanzan al mercado

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espectrofluorímetros analíticos para aplicaciones múltiples (biomedicina, geología, etc), pero sin una adaptación específica para la medida de colores fluorescentes siguiendo recomendaciones CIE y ASTM [7, 10-14]. Recientemente, nuestro grupo de investigación ha adquirido un instrumento de estas características, y el objetivo de esta contribución es presentar los pasos preliminares llevados a cabo para la calibración y el ajuste de dicho instrumento para la medida de colores fluorescentes.

MATERIALES Y MÉTODOS

A principios del año pasado nuestro grupo de investigación adquirió un espectrofluorímetro bidireccional modular y multidisciplinar: marca PTI, modelo QM3 PH, para medidas de fluorescencia en estado estacionario y fosforescencia (Figura 1), con una relación señal/ruido 3000:1 para banda Raman del agua (Ex = 350 nm, rendija de 10 nm, tiempo de integración de 1 s), con un límite de detección de 50 femtomolar de fluoresceína en OHNa. Éste consiste esencialmente de una lámpara pulsada de Xe (de 200 a 2000 nm de rango espectral), 2 monocromadores (tipo Czerny-Turner de 200 mm de distancia focal, red de difracción de 1200 l/mm, 0.5 nm de resolución, uno para la excitación óptica, y otro para la recogida de la emisión luminiscente, ambos con rendijas variables motorizadas y controladas por ordenador), y un fotodetector tipo tubo fotomultiplicador a la salida, sensible al rango espectral 200 – 900 nm. El compartimento para las muestras es flexible tanto para muestras líquidas como sólidas. En concreto, el soporte de sólidos puede rotar 360 deg, posee capacidad de desplazamiento lateral, y el área de medida es de aprox. 10 x 8 mm. El equipo va acompañado de un ordenador con software propio de control de datos PTI Felix-32. Por último, tal como se puede observar en Figura 1 (derecha), la configuración de la geometría de medida no puede ser directamente ni 45º/0º ni obviamente de esfera integradora (aunque está incluida en la oferta de accesorios). Por tanto, la colocación de la muestra en forma de T, con una relación angular fija de 90 deg entre los haces de excitación y emisión, será tal que permite balancear diversas geometrías aspeculares de medida diferentes alrededor de geometría especular 45º/45º sobre la normal de la superficie de la muestra. Ejemplos: 60º/30º, 30º/60º, 15º/75º, 75º/15º, etc. En nuestro caso, se ha utilizado solamente para este primer ensayo la geometría 40º/50º.

Figura 1. Izquierda: foto comercial del espectrofluorímetro. Derecha: esquema del diseño básico modular (en verde) y accesorios posibles (en gris) para diversas aplicaciones de fluorescencia en estado estacionario.

Siguiendo recomendaciones CIE [7], la calibración de este instrumento va a consistir

principalmente en varios pasos (ruido de fondo, medida de un blanco patrón no fluorescente, longitud de onda, escala fotométrica, etc) para la obtención y representación de los factores de radiancia luminiscente biespectral, reflejado y total de cualquier muestra fluorescente. De esta forma, y con una buena planificación a medio plazo, este instrumento podría calibrarse con respecto a los instalados en laboratorios nacionales de prestigio citados anteriormente.

Para varios procedimientos de calibración se han usado patrones y muestras de reflectancia, incluso luminiscentes, disponibles en catálogos especializados de la empresa Labsphere. En concreto, el blanco patrón no fluorescente, y mate, será de tipo halon. Para el calibrado de la longitud de onda [11] se ha adquirido un patrón denominado Spectralon Multi-Component

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Wavelength de la misma empresa anterior, que combina tres óxidos de tierras raras (óxido de holmio, óxido de erbio y óxido de disprosio). Pero, finalmente, no aplicaremos esta normativa ASTM [11] porque la elección de nuestra muestra no se adecua en ningún caso al procedimiento establecido en esta normativa.

Para el calibrado de la escala de radiancia o linealidad [12], se han adquirido un conjunto de 8 muestras Spectralon altamente lambertianas en su rango espectral, es decir, casi espectralmente planas, con factores de reflectancia comprendidos entre 99 % (blanco patrón) y 2 % (negro). Por último, y de la misma empresa, también se ha adquirido un conjunto de 5 patrones fluorescentes no calibradas.

RESULTADOS

Como un servicio I+D+i más de nuestro grupo de investigación, la misión de este estudio es disponer de un instrumento capaz de calcular la apariencia del color de cualquier muestra fluorescente bajo cualquier observador patrón, iluminante (Est) y espacio uniforme de color (CIELAB, etc), y realizar otras operaciones colorimétricas típicas como diferencias de color, caracterización de colorantes fluorescentes para formulación, gamas de colores, etc [15-18]. Esto significa que el instrumento disponible, una vez calibrado, debe proporcionar los factores de radiancia luminiscente biespectral, reflejada y total de cualquier muestra (Fig. 2). Si consideramos a µ a la longitud de onda de excitación, y a λ como la de emisión, los factores de radiancia luminiscente biespectral βLλ(µ) (visualizada convencionalmente con la matriz triangular de Donaldson), reflejada βR(λ) y total βT(λ), se combinan del modo siguiente para el posterior cálculo básico de valores triestímulo CIE:

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )

( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) λ∆⋅λ⋅λβ⋅λ=

λ∆⋅λ⋅λ=λ∆⋅λ⋅λβ⋅λ=

λ∆⋅λ⋅λβ⋅λ=λ

µ∆⋅µβ⋅µ=λβλβ+λβ=λβ

∑

∑∑

∑

∑

λ

λλ

λ

µλ

zEkZ

yEkconyEkY

xEkX

E

E

con

Tst

stTst

Tst

st

Lst

LLRT

100,

,

(Ec. 1)

Figura 2. Izquierda: Ejemplo de visualización 3D de la matriz de Donaldson (excitación vs. emisión). Derecha: Factores espectrales de radiancia total, reflejada y luminiscente de una muestra, así como la reflectancia espectral con un espectrofotómetro convencional (de un solo monocromador).

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CONCLUSIONES

Se han mostrado aquí las líneas maestras de calibración de un espectrofluorímetro modular y multidisciplinar con el objetivo claro de que sea fiable y trazable como otros espectrofluorímetros de laboratorios nacionales de estandarización. Dicho procedimiento de calibración, y siguiendo recomendaciones CIE y ASTM, se centrará inicialmente en el calibrado de la linealidad, la obtención y representación de los factores de radiancia luminiscente biespectral, reflejada y total, y la especificación colorimétrica básica (CIE-XYZ, CIELAB) de cualquier muestra fluorescente.

AGRADECIMIENTOS

Al Ministerio de Ciencia e Innovación por la concesión del proyecto DPI2008-06455-C02-02. Esther Perales agradece al mismo organismo la beca recibida (BES-2006-13518).

REFERENCIAS

[1] J.C. Lindon, G.E. Tranter, J.L. Holmes (eds.), Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, (Amsterdam: Academic Press - Elsevier, 2000).

[2] K. Van Dyke, C. Van Dyke, K. Woodfork, Luminescence biotechnology: Instruments and Applications, (Boca Raton: CRC Press, 2002).

[3] J.R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy, 3rd ed., (Berlin: Springer, 2006). [4] C. Ronda (ed.), Luminescence. From Theory to Applications, (Weinheim: Wiley-VCH, 2008). [5] M.N. Berberan-Santos (ed.): Fluorescence of Supermolecules, Polymers, and Nanosystems, de Springer Series

on Fluorescence, vol. 4, (Berlin: Springer-Verlag, 2007). [6] R.N. Clark, “Spectroscopy of Rocks and Minerals, and Principles of Spectroscopy”, Manual of Remote Sensing,

vol. 3, Remote Sensing for the Earth Sciences (A.R. Rencz, ed.), pag. 3-58 (New York: Wiley, 1999). [7] Commission Internationale de l’Eclaraige (CIE). Calibration methods and photoluminescent standards for total

radiance factor measurements, CIE 182:2007 (CIE: Vienna, 2007). [8] Commission Internationale de l’Eclaraige (CIE). The effects of fluorescence in the characterization of imaging

media, CIE 163:2004 (CIE: Vienna, 2004). [9] International Organization for Standarization (ISO). Standard method of assessing the spectral quality of

daylight simulators for visual appraisal and measurement of colour, ISO 23603: 2005, CIE S 012:2004 (ISO: Geneva, 2005).

[10] P.C. DeRose, L. Wang, A.K. Gaigalas, G.W. Kramer, U. Resch-Genger, U. Panne, “Needs for and Metrological Approaches Towards Standarization of Fluorescence Measurements from the View of National Metrology Institutes”, Standarization and Quality Assurance in Fluorescence Measurements I: Techniques (U. Resch-Genger, ed.), pag. 33-62, de Springer Series on Fluorescence, vol. 5, (Berlin: Springer-Verlag, 2008).

[11] American Society for Testing and Materials (ASTM). Standard Test Method for Wavelength Accuracy and Spectral Bandwith of FluorescenceSpectrometers, ASTM E388-04(2009) (ASTM: West Conshohocken, 2009).

[12] American Society for Testing and Materials (ASTM). Standard Test method for Linearity of Fluorescence Measuring Systems, ASTM E578-07 (ASTM: West Conshohocken, 2007).

[13] American Society for Testing and Materials (ASTM). Standard Practice for Obtaining Bispectral Photometric Data for Evaluation of Fluorescent Color, ASTM E2153-01(2006) (ASTM: West Conshohocken, 2006).

[14] American Society for Testing and Materials (ASTM). Standard Guide for Fluorescence – Instrumentation Calibration and Qualification, ASTM E2719-09 (ASTM: West Conshohocken, 2009).

[15] S. González, Evaluation of Bispectral Spectrophotometry for Accurate Colorimetry of Printing Materials (Rochester: University of Rochester, 2000).

[16] T. Shakespeare, J. Shakespeare: “A Fluorescent Extension to the Kubelka-Munk Model”, Color Res. Appl., 28, 1, 4-14 (2003).

[17] J. Mutanen, Fluorescent colors (Joensuu: University of Joensuu, 2004). [18] S. Holopainen, Absolute measurements methods for reflectance and fluorescence (Helsinki: Helsinki University

of Technology, 2009).

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