COLOUR QUANTIFICATIONAs published in LabPlus international - October 2006Principles and applications of reflectance spectrophotometryThe precise measurement and comparison of the colour of various objects is frequently required in a wide range of indus- trial and laboratory applications. The most objective way of measuring colour is by use of reflectance spectrophotome- try, a technique which can be carried out with the use of appropriate accessories in a modern spectrophotometer. This article describes the principles and applications of reflectance spectrophotometry. fluorescence or phosphorescence of the sample. stray light (i.e. light other than light of the selected wavelength reaching the detector). non-monochromatic radiation. changes in refractive index at high analyteconcentration. shifts in chemical equilibria as a functionof concentration. very large and complex molecules.However in practice, provided that steps are taken to ensure that the concentration is measured in the linear part of the calibration function, the Beer-Lambert law applies.Reflectance spectropho- tometryIn addition to the familiar absorbance measurements described above, there are other types of measurements which can be carried out using UV/Visible spectropho- tometers. Among such additional measure- ments are those which are based on the ability of a spectrophotometer to measure the reflectance of materials. Reflectance measurements are of great value in provid- ing a reference standard for the comparison of the colour of different samples.A reflectance spectrophotometer is similar to a standard UV/Visible spectrophotome- ter.It should have a bandwidth narrow enough to provide well resolved visible spectra yet wide enough to provide a good energy level for diffuse reflectance measurements. The reflectance spectrophotometer must also have optics and electronics systems of high sensitivity, and should be able to physically accommodate reflectance and transmission accessories. The adapted spectrophotometer must be able to make measurements both at selected fixed wavelengths or perform scans over the complete wavelength range.Basic principles of UV/Vis spectrophotometryMost analytical scientists are familiar with UV/Visible spectrophotometers for the measurements of concentrations and wave- length scanning of UV/Visible absorbing analytes in liquids. There are also occasional analyses where the measurement of either transmittance in solids or absorption of gases is needed. The basic principles of UV/Visible spectrophotometry are well known: Light is generated by a source lamp which is normally a tungsten lamp for the visible region of the spectrum and deuteri- um for the ultra-violet range. The light is dispersed into its constituent wavelengths in a monochromator which results in a narrow band of the dispersed spectrum passing from the exit slit of the monochromator. Suitable optics are used to lead this light, of a narrow wavelength band, to the sample to be measured. A sample with a UV/Visible chromophore sample absorbs a certain amount of light and the remaining light is detected by a suitable detector in the spec- trophotometer. The Beer-Lambert law is then applied to determine the concentration of a specific analyte in the sample at a spe- cific wavelength:A=xlxcwhere, at a specific wavelength,A is the measured absorbance, is the molar absorptivity or extinction coefficient (M-1 cm-1),l is the path length (cm),Figure 1. The Cecil Instruments Reflecta- Scan spectrophotometer.c is the analyte concentration (M).The relationship between Absorbance and Transmittance is:A=logTThe Beer-Lambert law describes the linear relationship between absorbance and con- centration.However, there are some restrictions to the law, and the linearity of the Beer-Lambert law is limited by chemical and instrumental factors.Causes of non-linearity include: deviations in molar absorptivity coeffi-cients at high concentrations (>0.01M) due to electrostatic interactions between molecules in close proximity. scattering of light due to particulates in the sample.COLOUR QUANTIFICATIONAn example of a modern high quality reflectance spectrophotometer is the Cecil Instruments' ReflectaScan Reflectance system which uses a 50 mm sphere [Figure 1]. Reflectance measurements are made using both diffuse and specularly reflected light.In diffuse reflectance, light is scattered in all directions from the sam- ple. Provided that this scattered light can be collected onto an optical detector, the surface reflectance may be measured either at a given wavelength, or by performing a scan over a range of wavelengths. Such a wavelength scan can then be used to characterise colour.In specular reflectance, the light reflected from a sample has an angle of reflectance equal to the angle of incidence of the illuminating light. Specular reflectance is normally used for the measurement of samples whose surface reflects light but shows very little scatter. For example, the reflecting properties of a coated optical mirror may be measured using specular reflectance. In the past, mirror systems were used to measure diffuse reflectance, but nowadays accurate diffuse measure- ments are carried out by means of an integrating sphere [Figure 2].Figure 2. A typical integrating sphere accessory.An integrating sphere consists of a completely spherical chamber. The inner wall of the chamber is made of a material that provides the maximum possible reflectance over the entire visible wavelength range. Previously, barium oxide coatings were used but much improved results are now obtained by the use of the extremely reflec- tive material, Spectralon. Sphere diameters are typically in the range of 50 mm to 300 mm diameter. Results are possible even with a small- er 50 mm sphere, which is used in the ReflectaScan spectrophotome- ter. Light is scattered in all directions from a sample within a half spherical space. This light is multiply reflected at the surface of the sphere and eventually reaches the optical detector for detection and measurement. In addition to the normal spectrophotometer signal channel, the ReflectaScan has a second optical detector and signal channel for diffuse measurements; this provides for optimal per- formance. Measurements of diffuse reflectance may be made either with the specular component included or excluded. The multiple reflection of the light at the inner surface of the integrating sphere demands the highest possible reflectivity of the inner surface of thesphere to minimise the attenuation of the light reaching the detector. For this reason the inner surface must be constructed from material of the highest reflectivity available.For accurate measurements, the surface area of the sphere that is used for the inlet, outlet and sample ports should not exceed 8% of the total surface area. The design of the Cecil Instruments' sphere satisfies this condition; provision is also made for the easy insertion of the sphere into the spectrophotometer [Figure 3].Figure 3. A schematic view of the inside of an integrating sphere. Light of the selected wavelength enters the integrating sphere via the aper- ture and is reflected by the internal mirror on to the sample. All reflect- ed light, no matter at which angle or in which plane, is collected by the highly reflective internal surface of the sphere so that the total amount of light reflected by the sample can be measured by the detec- tor. Changing of the angle at which the incoming light strikes the sam- ple enables measurement of both diffuse and specular reflectance.Generally reflectance measurements entail fitting an integrating sphere into a UV/Visible spectrophotometer and using the reflectance or transmittance scale. UV/Visible spectral scans of diffuse samples are obtained with reference to a white standard, normally Spectralon. Measurements of reflectances found at various wavelengths under specified light conditions may then be used to compute many absolute colour concept values. These include X Y Z tristimulus val- ues, x y Y chromaticity co-ordinates, CIE L* A* B*, CIE L* U* V*, L*C*h colour space, whiteness etc. Such colour values are used to define particular colours, shades and intensities of colours without the need for comparison to standard solutions or colour chart. These computations are performed automatically in the ReflectaScan.COLOUR QUANTIFICATIONHence one or more of the absolute colour values can be used to define: The brilliance of a shade of white paint. The whiteness of a piece of limestone, marble etc. Thecolourofapaper,paint,fabric,cloth. The colour differences encountered between shades of paint. The matching of paint colours. UV cover and shade protection factors of shade cloth. Luminoustransmittanceoflensesforsunglassesandsunglarefilters. Spectral reflectance of fabric. The effectiveness of an anti-reflective lens coating. Diffuse reflectance of powder samples. The concentrations of dyes in fabrics.Integrating spheres may also be used to determine the transparency and reflectance to light of curved surfaces, such as bottles, vials, con- tact lenses and spectacle lenses.An incidental advantage of an integrating sphere is that since all the forward scattered light that has passed through the sample is collected in the sphere, measurements of transmittance can be easily made in turbid samples, such as blood or brewing media.The minimum thickness which may be determined by this method is of the order of 0.1 microns; a sample area as small as 2 mm diameter may be measured. The amount of light reflected from a thin film over a range of wavelengths is measured, with the incident light at a known angle to the sample surface. The thickness of the thin film can then be automatically computed from the wavelength separation of the inter- ference bands of the wavelength scan [Figure 5].Specular Reflectance may be used to determine the thick- ness of thin films and is accu- rate, non-destructive, fast and requires little or no sample preparation. Typical films include semi-conductor films, coated lens, deposited coatings, anti-reflective lens coatings etc [Figure 4].Figure 5. The thickness of a thin film can be automatically com- puted from the wavelength separation of the interference bands of the wavelength scan.Cecil Instruments manufactures the ReflectaScan Reflectance spec- trophotometer, which contains powerful embedded software for the automatic calculation of a comprehensive range of colour and film thick- ness measurements.Cecil Instruments,Cambridge, UK. Tel + 44 1223 420821Figure 4. reflectance accessory.specularA typicalCUANTIFICACIN COLORComo se public en LabPlus internacional - Octubre 2006Principles y aplicaciones de espectrofotometra de reflectanciaThe medicin y comparacin del "color" de varios objetos precisa con frecuencia se requiere en una amplia gama de aplicaciones de prueba y de laboratorio industriales. La manera ms objetiva de medir el color es mediante el uso de reflectancia espectrofotmetro tratar, una tcnica que se puede llevar a cabo con el uso de accesorios apropiados en un espectrofotmetro moderno. Este artculo describe los principios y aplicaciones de espectrofotometra de reflectancia. fluorescencia o fosforescencia de la muestra. la luz difusa (es decir, luz, salvo la luz de la longitud de onda seleccionada llega al detector). radiacin no monocromtica. cambios en el ndice de refraccin en alto analitola concentracin. cambios en los equilibrios qumicos en funcinde la concentracin. muy grandes y complejas molculas.Sin embargo, en la prctica, siempre que se tomen medidas para garantizar que la concentracin se mide en la parte lineal de la funcin de calibracin, se aplica la ley de Beer-Lambert.Tometry reflectancia espectrofotmetroAdems de las medidas de absorbancia conocidos descritos anteriormente, hay otros tipos de mediciones que se pueden llevar a cabo utilizando UV / espectrofotmetros visibles. Entre tales mediciones adicionales son aquellos que se basan en la capacidad de un espectrofotmetro para medir la reflectancia de los materiales. Mediciones de reflectancia son de gran valor al proporcionar un patrn de referencia para la comparacin del color de diferentes muestras.Un espectrofotmetro de reflectancia es similar a un UV / Visible ter espectrofotmetro estndar.Se debe tener un ancho de banda lo suficientemente estrecho para proporcionar espectros visible bien resuelto todava lo suficientemente amplia como para proporcionar un buen nivel de energa para las mediciones de reflectancia difusa. El espectrofotmetro de reflectancia tambin debe tener ptica y la electrnica de los sistemas de alta sensibilidad, y debe ser capaz de acomodar fsicamente de reflectancia y transmisin accesorios. El espectrofotmetro adaptado debe ser capaz de hacer mediciones tanto en longitudes de onda fijas seleccionadas o realizar anlisis en el rango de longitud de onda completa.Principios Basic de UV / VisLa mayora de los cientficos analticos estn familiarizados con espectrofotmetros UV / Visible para las mediciones de las concentraciones y de barrido de longitud de onda de UV / analitos absorben visibles en lquidos. Tambin hay anlisis ocasionales donde se necesita la medicin de la transmitancia en cualquiera de los slidos o absorcin de gases. Los principios bsicos de espectrofotometra UV / Visible son bien conocidos: la luz es generada por una lmpara de fuente que es normalmente una lmpara de tungsteno para la regin visible del espectro y deuteri- um para la gama ultra-violeta. La luz se dispersa en sus longitudes de onda constituyentes en un monocromador que resulta en una banda estrecha del espectro disperso pasar de la rendija de salida del monocromador. ptica adecuados se utilizan para conducir esta luz, de una banda de longitud de onda estrecha, a la muestra a medir. Una muestra con un / muestra cromforo UV Visible absorbe una cierta cantidad de luz y la luz restante se detecta mediante un detector adecuado en el espectrofotmetro. La ley de Beer-Lambert se aplica entonces para determinar la concentracin de un analito especfico en la muestra a una longitud de onda especfica:A = xlxcdonde, en una longitud de onda especfica,A es la absorbancia medida, es la capacidad de absorcin o coeficiente de extincin molar (M-1 cm-1),l es la longitud del camino (cm),Figura 1. El espectrofotmetro Cecil Instrumentos Reflecta- Scan.c es la concentracin de analito (M).La relacin entre la absorcin y transmisin es:A = LogtLa ley de Beer-Lambert describe la relacin lineal entre la absorbancia y la concentracin.Sin embargo, hay algunas restricciones a la ley, y la linealidad de la ley de Beer-Lambert est limitado por factores qumicos e instrumentales.Las causas de la no linealidad incluyen: desviaciones en molar absortividad coefi-cientes a altas concentraciones (> 0,01 M), debido a las interacciones electrostticas entre molculas en las proximidades. dispersin de la luz debido a las partculas en la muestra.COLOUR CUANTIFICACINEjemplo An de un moderno espectrofotmetro de reflectancia de alta calidad es el sistema de reflectancia ReflectaScan los Instrumentos de Cecil 'que utiliza una esfera de 50 mm [Figura 1]. Medidas de reflectancia se hacen usando la luz tanto difusa y reflejada especularmente.En reflectancia difusa, la luz se dispersa en todas direcciones desde la muestra. Siempre que esta luz dispersada puede ser recogido en un detector ptico, la reflectancia de la superficie se puede medir ya sea en una longitud de onda dada, o mediante la realizacin de una exploracin en un intervalo de longitudes de onda. Tal exploracin de longitud de onda puede entonces ser utilizado para caracterizar color.En reflectancia especular, la luz reflejada desde una muestra tiene un ngulo de reflectancia igual al ngulo de incidencia de la luz de iluminacin. Reflectancia especular se utiliza normalmente para la medicin de muestras cuya superficie refleja la luz pero muestra muy poca dispersin. Por ejemplo, las propiedades de reflexin de un espejo ptica recubierta se puede medir usando reflectancia especular. En el pasado, se utilizaron sistemas de espejos para medir la reflectancia difusa, pero las mediciones precisas difusas hoy en da se llevan a cabo por medio de una esfera de integracin [Figura 2].Figura 2. Una integracin tpica esfera accesorio.Una esfera de integracin consiste en una cmara completamente esfrica. La pared interior de la cmara est hecha de un material que proporciona la reflectancia mxima posible en todo el rango de longitud de onda visible. Anteriormente, se utilizaron revestimientos de xido de bario pero mucho mejores resultados se obtienen ahora por el uso del material tiva extremadamente reflexin, Spectralon. Dimetros de Esfera estn tpicamente en el rango de 50 mm a 300 mm de dimetro. Resultados son posibles incluso con una pequea esfera mm er 50, que se utiliza en el ter ReflectaScan espectrofotmetro. La luz se dispersa en todas las direcciones de una muestra dentro de un medio espacio esfrico. Esta luz se refleja multiplican en la superficie de la esfera y, finalmente, alcanza el detector ptico para la deteccin y medicin. Adems del canal de seal espectrofotmetro normal, la ReflectaScan tiene un segundo detector ptico y el canal de seal para mediciones difusas; esto proporciona un rendimiento ptimo. Las mediciones de reflectancia difusa se pueden hacer ya sea con el componente especular incluido o excluido. La reflexin mltiple de la luz en la superficie interior de la esfera de integracin exige el ms alto posible reflectividad de la superficie interior de laesfera para reducir al mnimo la atenuacin de la luz que llega al detector. Por esta razn la superficie interior debe ser construido a partir de material de la ms alta reflectividad disponible.Para medidas precisas, el rea de superficie de la esfera que se utiliza para los puertos de entrada, de salida y de la muestra no debe exceder de 8% de la superficie total. El diseo de la esfera de los Instrumentos de Cecil cumplen esta condicin; tambin se prev para la fcil insercin de la esfera en el espectrofotmetro [Figura 3].Figure 3. Una vista esquemtica del interior de una esfera de integracin. Luz de la longitud de onda seleccionada entra en la esfera de integracin a travs de la aber- tura y es reflejada por el espejo interno a la muestra. Toda la luz reflejada,, no importa en qu ngulo o en los que avin, se "recoge" por la superficie interna altamente reflectante de la esfera de modo que la cantidad total de luz reflejada por la muestra se puede medir por el detector. Cambio del ngulo en el que la luz entrante golpea la muestra permite la medicin de tanto difusa y reflectancia especular.En general las medidas de reflectancia implican montar una esfera de integracin en un espectrofotmetro UV / Visible y utilizando la escala de reflectancia o transmitancia. UV / exploraciones espectrales visibles de muestras difusas se obtienen con referencia a un estndar blanco, normalmente Spectralon. Las mediciones de reflectancias se encuentran en varias longitudes de onda bajo condiciones de luz especificados pueden utilizarse entonces para calcular muchos valores de color concepto absoluta. Estos incluyen UES XYZ triestmulo Val-, xy y coordenadas de cromaticidad, CIE L * A * B *, CIE L * U * V *, L * C * h espaciales color, blancura, etc. Tales valores de color se utilizan para definir particular, colores, tonos e intensidades de colores sin necesidad de comparacin con soluciones estndar o carta de colores. Estos clculos se realizan automticamente en el ReflectaScan.COLOUR CUANTIFICACINHence uno o ms de los valores de color absolutos se puede utilizar para definir: El brillo de un color de pintura blanca. La blancura de una pieza de piedra caliza, mrmol, etc. Thecolourofapaper, pintura, tela, tela. Las diferencias de color encontradas entre los tonos de pintura. El juego de colores de pintura. Los factores de cobertura y proteccin UV sombra de tela de sombra. Luminoustransmittanceoflensesforsunglassesandsunglarefilters. reflectancia espectral de la tela. La eficacia de un recubrimiento de lente anti-reflexiva. reflectancia difusa de las muestras en polvo. Las concentraciones de tintes en los tejidos.Esferas de integracin tambin se pueden usar para determinar la transparencia y la reflectancia a la luz de las superficies curvas, tales como botellas, viales, lentes de contacto y lentes de gafas.Una ventaja incidental de una esfera de integracin es que, dado que toda la luz dispersada hacia adelante que ha pasado a travs de la muestra se recoge en la esfera, las mediciones de la transmitancia se pueden hacer fcilmente en muestras turbias, tales como sangre o de elaboracin de la cerveza medios de comunicacin.El espesor mnimo que puede ser determinado por este mtodo es del orden de 0,1 micras; un rea de muestra tan pequea como 2 mm de dimetro se puede medir. La cantidad de luz reflejada de una pelcula delgada sobre un rango de longitudes de onda se mide, con la luz incidente en un ngulo conocido a la superficie de la muestra. El espesor de la pelcula delgada puede entonces calcularse automticamente a partir de la separacin de longitud de onda de las bandas de interferencia de la exploracin de longitud de onda [Figura 5].Specular de reflectancia se puede usar para determinar el grosor de pelculas delgadas y sea precisa, no destructivo, rpido y requiere poca o ninguna preparacin de la muestra. Pelculas tpicas incluyen pelculas de semiconductores, lentes con recubrimiento, recubrimientos depositados, recubrimientos de lentes antirreflejantes etc [Figura 4].Figura 5. El espesor de una pelcula delgada puede ser automticamente computa a partir de la separacin de longitud de onda de las bandas de interferencia de la exploracin de longitud de onda.Cecil Instrumentos fabrica fotmetro la ReflectaScan reflectancia espec-, que contiene el software incorporado de gran alcance para el clculo automtico de una amplia gama de color y espesor de pelcula mediciones.Cecil Instruments,Cambridge, Reino Unido. Tel + 44 1223 420821Figure 4. reflectancia accesorio.de espejoUn tpico