S-108.189 Mittaustekniikan erikoistyö. Fluoresoivat materiaalit ja fluoresenssimittaussovellukset

S-108.189 Mittaustekniikan erikoistyö Fluoresoivat materiaalit ja fluoresenssimittaussovellukset Kotamäki Ilkka Laurila Marko Ohjaaja: Holopainen Silja Tiistai, 19. huhtikuuta 2005

Sisällysluettelo Sisällysluettelo...2 1. Johdanto...3 2. Fluoresenssi...4 2.1. Elektronin spin... 4 2.2. Singletti- ja triplettiviritystilat... 4 2.3. Fluoresenssin ja fosforesenssin käyttö erilaisissa sovelluksissa... 6 3. Fluoresoivien molekyylien väliset sidokset...7 3.1. σ-sidos... 8 3.2. π-sidos... 8 3.3. Orbitaalien väliset siirrokset... 9 4. Fluoresoivat materiaalit...9 4.1. Teollisuudessa käytettävät fluoresoivat materiaalit... 11 4.1.1. Epäorgaaniset loisteaineet... 11 4.1.2. Fluoresoivat valkaisijat... 11 4.1.3. Päivänvalossa fluoresoivat materiaalit... 13 5. Fluoresenssimittaukset...13 5.1. Suodatinfluoresenssimittarit... 15 5.2. Kanadan kansallisen tutkimusneuvoston spektrometri (NRC)... 16 5.2.1. Spektrometrin kalibrointi sekä mittausjärjestely... 19 5.3. Fluoresenssin käyttö paperiteollisuudessa... 20 5.3.1. Fluoresenssin mittaus paperista... 20 5.3.2. Puukuitujen ominaisuuksien määrittely sellusta... 21 5.4. Twinkle LB 970 fluoresenssimittari... 25 6. Yhteenveto...27 7. Mittauksia fluoresenssista...28 7.1. Eksitoituneen säteilyn tarkempi analyysi... 32 Kirjallisuusviitteet...33 2

1. Johdanto Fluoresenssi on yllättävän yleinen ilmiö jokapäiväisessä elämässämme. Uusia vaatteita ostettaessa voidaan havaita fluoresenssin vaikutus. Tämä tulee esiin värien muuttumisena kuljettaessa liikkeestä ulkoilmaan. Monet ovat yllättyneet, kun kaupassa hyvänvärisiltä näyttäneet housut ovatkin näyttäneet auringonvalossa erivärisiltä kuin kaupassa. Värit voivat muuttua hyvin erivärisiksi, jos niitä verrataan keinotekoisessa valaistuksessa sekä auringonvalossa. Tähän värien muutokseen pääsyyllinen on fluoresenssi, joka johtuu materiaalien fluoresoivasta ominaisuudesta. Materiaaliin osuva valo menettää osan energiastaan materiaalin sisälle, jonka jälkeen materiaalista lähtevä valo on eriväristä. Fluoresenssi on osa laajempaa ilmiötä, luminesenssia, johon kuuluu myös fosforesenssi. Periaatteessa varsinainen ero fluoresenssin ja fosforesenssin välillä on fosforesenssissa myöhemmin tapahtuva valon emittointi. Liikennemerkeissä sekä monissa muissa pimeässä loistavissa materiaaleissa käytetään hyväksi fosforesenssia. Merkittävä fluoresenssin sovellus on seteleissä sekä monissa muissa turvallisuussovelluksissa käytettävät UV-valolla aktivoitavat tekstit. Tutkielman tarkoituksena on antaa peruskäsitys fluoresenssista, fluoresoivista materiaaleista sekä fluoresenssin mittaustavoista. Fluoresenssin ymmärtämisen kannalta on tärkeää tietää minkä takia materiaalit emittoivat ja absorboivat valoa. Fluoresenssi-ilmiö on seurausta materiaalien elektronirakenteista, mistä johtuen on löydettävissä varsin monia fluoresoivia materiaaleja. Materiaalien muodostaessa yhdisteitä niiden elektronit sitoutuvat keskenään, josta seuraa fluoresoivia ominaisuuksia. Myöhemmin perehdytään molekyylien rakenteisiin ja siihen mikä tekee molekyyleistä fluoresoivia. Tekniikan kehittyessä on valmistettu hyvin monia eri sovelluksiin sopivia materiaaleja. Hyvänä esimerkkinä voi pitää paperia, johon lisätään monia fluoresoivia aineita, jotta voidaan valmistaa valkoista paperia. Fluoresenssia käytetään myös monissa mittauksissa, laadunvalvonnassa sekä tutkimuskäytössä. Mittalaitteet perustuvat kaikki samaan toimintatapaan, jossa ensin valotetaan tutkittavaa kohdetta ja kerätään sen lähettämä säteily. Kohteen lähettämästä fluoresenssivalosta voidaan päätellä monia asioita, kuten kohteen rakenne, koostumus ja ominaisuuksia. Laitteiden rakenteet eroavat kuitenkin hyvin paljon, joten tässä tutkielmassa pyritään esittelemään muutamia eri fluoresenssin mittauslaitteistoja sekä niiden toimintaperiaatteita. Kaupallisesti käytössä olevia mittalaitteita on varsin lukuisia, mutta niiden mittaustarkkuus ei pääse lähellekään tutkimuksessa käytettävien laitteistojen tarkkuuksia. 3

2. Fluoresenssi Luminesenssiksi ymmärretään ilmiö, jossa materiaali emittoi aiemmin absorboimansa sähkömagneettisen säteilyn. Materiaalin emittoimalla fotonilla on suurempi aallonpituus, kuin materiaalin absorboimalla fotonilla. Fluoresenssin sekä fosforesenssin yleinen termi on luminesenssi. Fluoresenssi ja fosforesenssi tapahtuvat, kun sähkömagneettinen säteily virittää perustilalla olevan elektronin korkeammalle energiatilalle. Fotonin osuessa elektroniin fotoni luovuttaa energiansa elektronille, jolloin elektroni virittyy ja nousee korkeammalle energiatilalle. Koska fotonin absorboineet elektronit ovat korkeammalla energiatilalla, niiden täytyy menettää ylimääräinen energiansa palatakseen perustilalleen. Jos virittynyt elektroni palaa perustilalleen emittoiden sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on suurempi kuin elektronin virittäneen säteilyn, tapahtumaa kutsutaan fluoresenssiksi tai fosforesenssiksi. Aallonpituuden muutos johtuu elektronin menettäessä energiaa tippuessaan ylemmiltä värähtelytiloilta alemmille. Fluoresenssissa elektronin viritys purkautuu lähes välittömästi absorboivan säteilyn vaikutuksen loputtua, kun taas fosforenssissa virityksen purkautuminen voi kestää huomattavasti kauemmin. Yleensä fluoresenssissa virittyneen elektronin palaaminen perustilalle kestää noin10-4 -10-9 s ja fosforesenssissa kauemmin kuin 10-4 s aina muutamiin sekunteihin saakka [1]. Fluoresenssi on melko yleinen ilmiö luonnossa. Sekä vedessä että selluloosassa tapahtuu fluoresenssia jossain määrin. Fluoresenssia ja varsinkin fosforesenssia voi nähdä jokapäiväisessä elämässäkin. Jotkin aineet loistavat pimeässä, loisteen aiheuttavat fluoresenssi ja fosforesenssi. 2.1. Elektronin spin Paulin kieltosäännön mukaan kaksi elektronia voi sijaita samalla orbitaalilla ainoastaan, jos niiden spinit ovat vastakkaissuuntaiset. Tällaisessa tapauksessa sanotaan elektronien spinien olevan pariutuneita. Spinien ollessa pariutuneita molekyylit eivät muodosta nettomagneettikenttää ja näin ollen ne ovat diamagneettisia, joten ne eivät vuorovaikuta magneettikentän kanssa. On kuitenkin muistettava, että radikaalit, joiden spinit eivät ole pariutuneita, ovat paramagneettisia. Spinkvanttiluku on elektroninen ominaisuus, joka voidaan ajatella elektronin pyörimisenä, joten spinkvanttiluku voi saada arvot +1/2 ja -1/2. 2.2. Singletti- ja triplettiviritystilat Singlettitilaksi kutsutaan tilaa, jossa molekyylin elektronitilalla olevien kaikkien elektronien spinit ovat pariutuneita. Tällainen tila voi syntyä, kun 4

elektroni, jonka spinkvanttiluku on vastakkainen kuin perustilaan jääneen elektronin spinkvanttiluku, virittyy ylemmälle energiatasolle. Perustilassa olevat molekyylit ovat yleensä singlettitilaisia molekyylejä. Niillä on kullakin orbitaalilla kaksi elektronia, joiden spinit ovat vastakkaiset. Molekyylin absorboidessa fotonin toinen elektroni siirtyy ylemmälle energiatilalle ja näin ollen molekyylin nettospin on nolla (spin ei muutu). Triplettitila syntyy, kun singlettitilalla oleva elektroni kokee sisäisen siirtymän, jonka seurauksena sen spin muuttuu. Triplettitilan purkautuessa säteilevästi spin muuttuu uudelleen. Singlettitilalta siirtyminen triplettitilalle on epätodennäköisempää kuin sisäiset siirtymät singlettitilan sisällä. Viritettyjen triplettitilojen keskiarvoinen elinaika on noin 10-4 s ja useiden sekuntien välillä. Singlettitilojen keskiarvoinen elinaika on huomattavasti pienempi noin 10-5 - 10-8 s. Elektronin siirtyminen perustilasta suoraan triplettitilaan on hyvin epätodennäköistä. Kuva 1 Fluoresenssin ja fosforenssin energiavyödiagrammi [2]. Kuvassa 1 on esitetty energiavyökaavio tyypillisestä molekyylistä, jossa voi tapahtua fluoresenssia sekä fosforesenssia. Alimmainen tila on niin kutsuttu molekyylin perustila, joka on nimetty S 0. Perustila, kuten kaikki muutkin energiatilat, jakaantuu lukuisiin värähtelytiloihin. S 1 on ensimmäinen ja S 2 toinen virittynyt singlettitila ja T 1 on ensimmäinen virittynyt triplettitila. Kuvasta 1 voidaan havaita, että ensimmäisen triplettitilan energia on pienempi kuin vastaavan singlettitilan, joka on varsin normaalia monissa molekyyleissä. Tietyn aallonpituinen valo λ 1 voi virittää molekyylin tilalta S 0 tilan S 1 jollekin 5

värähtelytilalle. Toisen aallonpituuden omaava valo λ 2 voi virittää molekyylin tilan S 2 jollekin värähtelytilalle [2]. Fluoresenssi tapahtuu, kun materiaali absorboi säteilyä tietyllä aallonpituudella ja emittoi saamansa säteilyn suuremmalla aallonpituudella. Viritys ja sitä seurannut emissio eivät tapahdu samanaikaisesti. Tapausta, jossa säteilyn emissio tapahtuu välittömästi virityksen jälkeen, kutsutaan absorptioemissioprosessiksi. Energiatasoilla ei ole siis koettu sisäsiirtymiä ja elektroni palaa perustilaan suoraan siltä tilalta mihin se on viritetty. Fosforesenssissa elektroni kokee systeemin välisen siirtymän singlettitilalta triplettitilalle ja palaa sieltä edelleen perustilalle. Kun elektroni absorboi fotonin, elektroni virittyy jollekin viritystilan värähtelytilalle. Kuvassa 1 on esitetty muun muassa miten elektroni nousee korkeammille energiatiloille absorboidessaan fotonin. Lopulta elektroni menettää ylimääräisen energiansa emittoimalla fotonin. Yleensä fluoresenssissa virittynyt elektroni tippuu korkeammilta värähtelytiloilta alimmille ja menettää näin energiaansa tilojen välisiin värähtelyihin. Kyseinen tilanne on esitetty kuvassa 1. Useimmiten elektroni on viritetty ensimmäistä singlettitilaa korkeammille singlettitiloille, tällöin se kokee yleensä myös sisäsiirtymän, jossa elektroni tippuu korkeamman singlettitilan matalalta värähtelytilalta matalamman singlettitilan korkealle värähtelytilalle. Elektronin korkeammalta värähtelytilalta alemmalle tippuminen jatkuu, kunnes elektroni tippuu joltakin värähtelytilalta perustilalle tai päätyy alimmalle mahdolliselle värähtelytilalle. Näiltä tiloilta elektroni voi palata mille tahansa perustilan värähtelytiloista emittoimalla energiansa fotonina. Tästä syystä emittoidun säteilyn aallonpituus on suurempi kuin absorboidun säteilyn aallonpituus. Absorboidun ja emittoidun säteilyn aallonpituuksien eroa kutsutaan Stokesin siirtymäksi. Singlettitilan alimmalta värähtelytilalta voi tapahtua myös systeemin välinen siirtymä jollekin triplettitilan värähtelytasolle, minkä seurauksena tapahtuu spinin muuttuminen. Tällaisen siirtymän edellytyksenä on, että kahden eri tason värähtelytilat ovat päällekkäin. Tyypillisiä aineita, joilla esiintyy päällekkäisiä värähtelytiloja singletti- ja triplettitilojen välillä ovat molekyylit, jotka sisältävät painavia atomeja. Saavuttaessaan triplettitilan alimman värähtelytilan varaus voi purkautua perustilaan emittoiden fotonin, jolloin spin muuttuu uudelleen. Tällaista ilmiötä kutsutaan fosforesenssiksi. Fosforesenssissa emittoituneen säteilyn aallonpituus on suurempi kuin vastaavan fluoresenssin aallonpituus. 2.3. Fluoresenssin ja fosforesenssin käyttö erilaisissa sovelluksissa Nykyisin fluoresenssia ja fosforesenssia käytetään varsinkin paperi- ja tekstiiliteollisuudessa. Lisäksi fluoresenssia käytetään yhä enenemässä määrin muillakin teollisuuden aloilla ja erilaisissa mittauksissa. Täten myös entistä tarkempien fluoresenssimittausten tarve kasvaa jatkuvasti. 6

Yleisin fluoresenssin käyttökohde on loistelamppu. Loistelampussa fluoresenssia käytetään muuttamaan ultraviolettisäteily ihmissilmälle näkyväksi valoksi. Loistelampun sisällä aikaansaadaan ultraviolettisäteilyä sähkövirran avulla. Loistelamppu on päällystetty fluoresenssiaineilla. Lampun sisältä tuleva ultraviolettivalo virittää fluoresenssimateriaalien elektroneja ja virityksen purkautuessa materiaalit emittoivat näkyvää valoa. Tienvarsilla olevat opasteet on myös useasti käsitelty fluoresoivalla aineella, jolloin ne on helpompi erottaa pimeässä. Fluoresenssia ja erityisesti fosforesenssia käytetään hyväksi monissa erityyppisissä näytöissä. Hyvä esimerkki on vanha analoginen oskilloskooppi, jonka näyttö on päällystetty fosforoivalla aineella. Näyttöä pommitetaan elektroneilla, jolloin elektronit virittävät molekyylin elektroneja ylemmille viritystiloille, joista elektronit voivat laskeutua perustilaan emittoiden valoa. Eräs fluoresenssin käyttökohde ovat optiset valkaisijat. Kellertävään paperiin lisätään ainetta, jonka atomit virittyvät näkymättömästä UV-valosta. Virityksen purkautuessa nämä atomit emittoivat sinertävää valoa. Sinertävä valo kompensoi kellertävän värin ja paperi näyttää valkoiselta. Fluoresenssia käytetään hyväksi esimerkiksi salakirjoituksessa sekä näkymättömien tunnisteiden tekemiseen postimerkkeihin ja rahaan. Salakirjoitus ja tunnisteet kirjoitetaan läpinäkyvällä musteella, johon on lisätty normaalissa valossa läpinäkyvää fluoresoivaa ainetta. Kun tätä fluoresoivaa ainetta valaistaan näkyvää valoa lyhyempi aallonpituisella säteilyllä, aineen elektronit virittyvät korkeammalle energiatilalle ja emittoivat näkyvää valoa palatessaan takaisin perustilaan. Fosforesenssia käytetään monissa jokapäiväisissä asioissa. Ehkä paras esimerkki on rannekellon pimeässä hohtavat viisarit sekä näyttötaulun numerot. Erilaiset hätäpoistumisteistä kertovat merkit tulee myös käsitellä fosforoivalla aineella, jotta ne näkyvät mahdollisen sähkökatkoksen aikana. Niinpä fosforesenssia hyödynnetään myös tällaisessa tapauksessa. Fosforoivat materiaalit tarjoavatkin paljon mahdollisuuksia hyödyntää materiaalin valon varastoivaa ominaisuutta. 3. Fluoresoivien molekyylien väliset sidokset Orgaanisissa molekyyleissa on kahdenlaisia elektroneja, jotka saavat aikaan absorptiota. Ensimmäisenä tyyppinä voi pitää tapausta, jossa molekyylit muodostuvat suoraan elektronien välisistä sidoksista. Elektronit ovat siis useamman kuin yhden atomin vuorovaikutuksen alaisuudessa. Toisessa tapauksessa elektronit eivät ole muodostaneet sidoksia tai ne ovat vapaina pareina kaasuissa. Tällaisia kaasuja ovat esimerkiksi happi, eri halogeenit, rikki ja typpi. Yleensä tällaiset materiaalit muodostavat kovalenttisen sidoksen, jonka voi karkeasti mieltää sidokseksi, jossa elektronit liikkuvat kahden eri atomin keskusten välillä ja näin minimoivat ytimen aiheuttaman repulsiivisen voiman. Sidoksissa olevat elektronit muodostavat lokalisoimattoman kentän, jota 7

kutsutaan molekyyliorbitaaliksi 1. Molekyyliorbitaalit voidaan jakaa useisiin eri luokkiin riippuen niiden elektronien kiertoradoista. 3.1. σ-sidos Orgaanisten molekyylien muodostaessa yksinkertaisia sidoksia syntyy yleensä niin kutsuttu σ-sidos, joka on esitetty kuvassa 2a. σ-sidoksessa olevia elektroneja kutsutaankin σ-elektroneiksi. σ-sidoksessa oleva varausjakauma on keskittynyt kahden liitetyn atomin välille. Kahden eri atomin muodostaessa sidoksen elektronit viettävät enemmän aikaa toisen atomin läheisyydessä. Enemmän vetovoimaa omaavalla atomilla on suurempi elektronegatiivisuus, joten atomien muodostama kovalenttinen sidos on polaarinen. Molekyylit sitovat σ-sidoksessa olevat elektronit varsin tiukasti itselleen, joten tarvitaan suuri energia haluttaessa poistaa elektroneja molekyylista tai nostaa niitä korkeammille energiatasoille. Tästä johtuukin että σ-sidoksen omaavia materiaaleja ei käytetä luminesenssispektroskopiassa, koska tarpeeksi suurienergiset fotonit saavutetaan vasta UV-alueella. Kuvassa 2c on esitetty σ-sidos, jota kutsutaan hajottavaksi orbitaaliksi 2 ja sitä merkitään symbolilla σ*. Kuva 2 σ- ja π-sidokset [2]. 3.2. π-sidos Kahden eri atomin ylä- ja alapuolella olevien orbitaalien mennessä päällekkäin syntyy kuvassa 2b oleva π-sidos. π-sidos omaa huomattavasti pienemmän vuorovaikutuksen kuin σ-sidos, mistä johtuukin, että σ-sidoksen saturoituessa muodostuu π-sidos. π-sidoksen muodostumisen kannalta on 1 atomien muodostaessa molekyylejä niiden atomiorbitaalit menevät päällekkäin 2 elektronit pyrkivät työntymään pois atomien välisestä tilasta (antibonding orbital) 8

oleellista, että se syntyy p- tai d-orbitaaleista 3, mutta ei koskaan s-orbitaaleista. Elektronien varausjakauma on keskittynyt atomien välisen janan ulkopuolelle ja näin ollen se minimoi elektronien sisäisen poistovoiman. Elektronien ollessa pienemmän vuorovaikutuksen alaisuudessa niitä voidaan poistaa sekä virittää pienemmillä energioilla kuin σ-sidoksessa olevia elektroneja. Molekyylit, jotka sisältävät vain yksittäisiä π-sidoksia, vaativat noin 100 200 nm aallonpituisen valon vaikutuksen, jotta niissä tapahtuisi elektronien virityksiä. Tilanne paranee kuitenkin huomattavasti, jos käytössä on materiaaleja, jotka sisältävät lukuisia π- orbitaaleja sekä niiden komplementteja eli hajottavia orbitaaleja. Tällöin voidaan virittää elektroneja suuremmilla aallonpituuksilla (200 380 nm). Orgaaniset molekyylit voivat myös sisältää elektroneja, joita ei ole sidottu. Näitä elektroneja kutsutaankin n-elektroneiksi ja vastaavasti n-orbitaalia tilaksi, joka sisältää vapaita elektroneja [2]. 3.3. Orbitaalien väliset siirrokset Suuren energiansa takia σ-orbitaalien väliset siirrokset tai siirrokset niiltä muille orbitaaleille eivät ole oleellisia tarkasteltaessa fluoresenssia näkyvän valon alueella, joten ne jätetään huomioimatta seuraavassa tarkastelussa. Niinpä suurin osa nykyisistä materiaalien välisistä elektronien siirroksista tapahtuukin orbitaalien n π * ja π π * välillä. Tämä johtuu näkyvän valon sopivan aallonpituuden energiasta, joka pystyy virittämään elektroneja orbitaalilta toiselle. Molaarinen absorptio n- ja π * -orbitaaleille on kohtuullisen pieni, mutta siirroksessa π π * orbitaalille absorption suuruus on noin 100-1000 kertaa suurempi. On varsin yleistä, että siirroksissa tapahtuu aallonpituuden muuttumista suuremmaksi tai pienemmäksi aallonpituudeksi (sini- ja punasiirtymä). Aallonpituuden siirtoa lyhyemmäksi sekä samalla polarisaation lisääntymistä tapahtuu n π * -siirroksessa ja ne johtuvat ei-sidottujen elektronien liukoisuuden lisääntymisestä. Suuri sinisiirtymä koetaan vedessä ja alkoholeissa, joissa vetysidos liuottimen protonien ja ei-sidottujen elektronien välillä on voimakas. Punasiirtymän tapauksessa, joka tapahtuu π π * -siirroksessa, polaarinen vetovoima liuottimen ja absorboituvan elektronin välillä pyrkii pienentämään sekä ei-viritystilan että viritystilan energiaa. 4. Fluoresoivat materiaalit Fluoresoivia materiaaleja on monenlaisia. Kaikki aineet absorboivat valoa tietyssä määrin ja tästä syystä niillä voi olla mahdollisuus toimia fluoresoivina materiaaleina. Tietyillä valon aallonpituuksilla voidaan saada yhdestä näytteestä 3 s-orbitaali on muodoltaan pallomainen: 1 elektronikuori, enintään 2 elektronia. p-orbitaali käsittää kaksi lohkoa, joita erottaa ytimen kautta kulkeva solmutaso: 3 elektronikuorta, enintään 6 elektronia. d-orbitaali on apilan muotoinen: 5 elektronikuorta, enintään 10 elektronia. 9

esiin monia eri fluoresenssispektrejä. Fluoresenssin voidaan olettaa yleisesti tapahtuvan molekyyleissä, jotka ovat aromaattisia tai sisältävät korkean asteen resonanssistabiilisuuden moninkertaisesti yhdistyneissä kaksoissidoksissa. Molemmissa tapauksissa on delokalisoituneet π-sidokset, jotka voidaan sijoittaa viritetyille singlettitiloille. Lisäksi epäorgaaniset aineet, joissa on melko helppoa nostaa elektroni korkeammalle energiatasolle(yleensä d- tai f-tasolle), ovat fluoresoivia aineita. Monirenkaisissa aromaattisissa aineissa on yleensä paljon π- sidoksia, jolloin kyseiset aineet ovat vahvasti fluoresoivia. Eri aineet vaikuttavat vahvasti fluoresenssiin. Aineet, jotka delokalisoivat π-elektroneja, kuten -NH 2, - OH, -F, -OCH 3, -NHCH 3 ja -N(CH 3 ) 2 ryhmät, usein vahvistavat fluoresenssia, koska niillä on taipumus suurentaa alimman viritetyn singlettitilan ja perustilan välistä transitiotodennäköisyyttä. Kun taas molekyylit, jotka sisältävät -Cl, -Br, -I, -NHCOCH 3, -NO 2 tai -COOH ryhmiä, vähentävät tai sammuttavat kokonaan fluoresenssin. Molekyylit, joilla ei ole sitovia valenssielektroneja, ovat usein fluoresoivia. Kyseisiä elektroneja voidaan virittää ilman että sidokset häiriintyvät. Yleensä delokalisoituneen π-sidoksen täytyy olla myös osa tämän tyyppistä molekyyliä, jotta fluoresenssi on saavutettavissa helposti. Molekyylinen jäykkyys vähentää kilpailevaa säteilemätöntä transitiota vähentämällä vibraatioita. Tämä minimoi spinkiellettyä konversiota triplettitilalle ja törmäyksistä johtuvaa lämmöntuottoa. Esimerkiksi fluoreseiini ja eosiini ovat vahvasti fluoresoivia, mutta samanlainen yhdiste fenoliftaleiini, joka on joustava ja jossa konjugoitu systeemi on häiriintynyt, ei ole fluoresoiva. Yleisesti aromaattisista yhdisteistä eniten fluoresoivia ovat ne, jotka ovat eniten tasomaisia, jäykkiä ja steerisesti miehittämättömiä. Myös metalli-ionien kanssa tapahtuva kelaattien 4 muodostuminen parantaa fluoresenssia, koska se lisää jäykkyyttä ja vähentää sisäisiä värähtelyjä. Samaan tapaan aineet fluoresoivat kirkkaammin lasimaisessa kuin nestemäisessä tilassa. Molekyylien välisen energian siirtymisen mahdollisuus fluoresoivan aineen ja muiden molekyylien välillä pienenee, kun lämpötila on alhainen ja fluoresoivan aineen rotaation relaksaatioaika on paljon pidempi kuin virittyneen tilan elinaika, tällöin fluoresenssi vahvistuu. Fluoresenssin intensiteetti ja aallonpituus vaihtelevat usein liuotteen mukaan. Liuotteet, jotka kokevat voimakkaita van der Waalsin sitovia voimia virittyneiden molekyylien kanssa, pidentävät yhteentörmäyksen elinaikaa ja aikaansaavat virittyneiden molekyylien passivoitumista. Liuotteet, joissa on molekyylin korvaajia kuten Br, I, NO 2 tai -N=N- ryhmiä ovat ei-toivottuja, koska niiden ytimiä ympäröivä vahva magneettikenttä vahvistaa elektronien spinin vaihtumista ja triplettitilojen syntymistä. Aallonpituussiirtymiä tapahtuu eri tavalla eri liuotteissa. Vaikka virittävän valon aallonpituus pysyy esim. 285 nm pituisena, suurimman fluoresenssi-intensiteetin aallonpituus on 297 nm sykloheksaanilla, 305 nm bentseenillä, 310 nm 1,4-dioksaanilla, 330 nm etanolilla ja 350 nm vedellä. Muutokset systeemin ph:ssa voivat vaikuttaa fluoresenssiin. Sekä fenoli että anisoli fluoresoivat ph:ssa 7, mutta ph:ssa 12 fenoli muuttuu 4 Rengasmainen metalli-ionoyhdiste 10

fluoresoimattomaksi anioniksi, kun taas anisolin fluoresenssiominaisuudet eivät muutu. Samaan tapaan aniliini fluoresoi ph:ssa 7 ja 12, mutta aniliinin protonoitu kationi ei fluoresoi ph:ssa 2. Itse asiassa jotkin aineet ovat niin herkkiä ph:n vaikutukselle fluoresenssiin, että niitä voidaan käyttää indikaattoreina happamuuteen perustuvassa titrauksessa. Tällaisten indikaattoreiden hyvä puoli on, että niitä voidaan käyttää sameissa tai vahvasti värjätyissä systeemeissä happamuuden mittaukseen. Paramagneettisten metalli-ionien lisääminen, kuten kupari ja nikkeli, lisäävät fosforesenssia metallia sisältävissä yhdisteissä, mutta eivät lisää fluoresenssia. Vastavuoroisesti magnesium- ja sinkkiyhdisteet toimivat vain fluoresenssin lähteenä. Yleisesti vain ne positiivisesti varautuneet ionit, jotka ovat diamagneettisia ja jotka eivät ole pelkistyviä, muodostavat fluoresenssiyhdisteitä. Siirtymämetallit, joilla on täyttymättömiä, uloimpia d-orbitaaleja, sammuttavat fluoresenssin kokonaan [1]. 4.1. Teollisuudessa käytettävät fluoresoivat materiaalit Teollisuudessa käytetään fluoresenssia omaavia aineita hyvin monissa eri sovelluksissa. Fluoresoivat materiaalit voidaankin jakaa kolmeen pääluokkaan: epäorgaanisiin loisteaineisiin, fluoresoiviin valkaisijoihin ja päivänvalossa fluoresoiviin materiaaleihin. Kaikki nämä kolme omaavat varsin erilaisen kemiallisen rakenteen verrattuna toisiinsa, joten on varsin selvää, että niitä käytetään melko erilaisissa sovelluksissa. 4.1.1. Epäorgaaniset loisteaineet Epäorgaaniset loisteaineet eivät ole varsin laajasti käytössä teollisuudessa. Näiden materiaalien ongelmana on niiden kohtuullisen suuri myrkyllisyys, koska niiden rakenteessa metallit näyttelevät suurta roolia. Useat näistä materiaaleista ovat sinkkisulfidi- tai kadmiumsulfidijohdannaisia. Edellä mainittuja metalleja seostetaan harvinaisilla maametalleilla ja aikaansaadaan hyvin stabiileja aineita. Lähes kaikki näistä materiaaleista emittoivat valoa UV-alueella, mutta niitä voidaan myös käyttää näkyvän valon sekä IR-alueen puolella. Kuitenkin virittäviä elektroneja tarvitaan suhteessa enemmän kuin niitä saadaan emittoitua, joten kvanttihyötysuhde on kohtuullisen pieni. Ongelmaksi aiheutuu myös taipumus fosforesenssiin, mikä monissa sovelluksissa on epätoivottavaa. Niinpä epäorgaaniset loisteaineet ovat omiaan monissa turvamerkintäsovelluksissa [3]. 4.1.2. Fluoresoivat valkaisijat Kemian teollisuus valmistaa monia satoja erilaisia aineita juuri paperi-, muovi- ja tekstiiliteollisuuden tarpeisiin. Niin paperi- kuin vaateteollisuudessa 11

käytetään varsin laajasti fluoresoivia valkaisijoita, jonka seurauksena fluoresoivat valkaisijat ovatkin suurin käyttökohde fluoresoiville materiaaleille. Tällaisilla materiaaleilla pyritään eroon raaka-aineena käytettyjen materiaalien väriä tuottavista ominaisuuksista. Materiaalin omat ominaisuudet absorboivat ruskeaa ja keltaista valoa, mikä johtaa siihen, että haluttaessa mahdollisimman valkoisia värejä tarvitaankin jokin keino välttää tämä absorptio. Fluoresoiviksi valkaisijoiksi kutsutut materiaalit absorboivat valoa UV-alueella ja fluoresoivat näkyvän valon alueella, minkä seurauksena materiaali heijastaa lähes 100 prosenttisesti kaiken siihen osuvan valon 5. Näin voidaan tehokkaasti estää tietyn tyyppisen valon absorboituminen ja välttää materiaalin värin vaihtuminen. Voi myös ajatella, että UV-alueella absorboitunut valo muutetaan eriväriseksi fluoresenssin kautta ja näin kumotaan materiaalin omaa värivastetta. Parhaiten tunnettu ja ensimmäisenä löydetty fluoresoiva valkaisija oli 7-hydroksidi-4- metyylikumariini 6 (kuva 3), jota voidaan valmistaa resorsinolista ja asetasetaattista [4]. Kun ensimmäinen synteettinen fluoresoiva valkaisija C 14 H 14 N 2 O 6 S 2 (kuva 4) löydettiin vuonna 1940, fluoresoivien valkaisijoiden käyttö yleistyi rajusti. Kuva 3 7-hydroksidi-4-metyylikumariini ensimmäinen teollisuudessa käytetty fluoresoiva valkaisija. Kuva 4 C 14 H 14 N 2 O 6 S 2 ensimmäinen synteettinen fluoresoiva valkaisija. Vuosien kehitystyön jälkeen on löydetty yli 400 erilaista kemikaalia, joita käytetään teollisuudessa. Niiden toiminta perustuu enemmän tai vähemmän juuri kemikaalien ominaisuuksiin fluoresoida valoa tietyllä aallonpituudella. Kuten huomataan kuvista 3 ja 4 fluoresoivat valkaisijat ovat lähes aina muodostuneet joukoista bentseenirenkaita sekä niihin liittyneistä -N=CH-, C=0 tai -CH=CH- 5 näkyvänvalon alueella 6 methylumbelliferone, 7-HYDROXY-4-METHYLCOUMARIN 12

ryhmistä. Tällaiset materiaalit omaavatkin edellä käsitellyt rakenteet ja näin ollen fluoresoivat näkyvän valon alueella. 4.1.3. Päivänvalossa fluoresoivat materiaalit Vasta viimeisen 20 vuoden aikana on löydetty sellaisia orgaanisia yhdisteitä, joiden viritys- sekä emissiomaksimit sijaitsevat näkyvänvalon alueella. Tällaiset yhdisteet ovat mahdollistaneet monet nykypäivän sovellukset. Koska luonnonvalo voi toimia fluoresenssin virittäjänä, voidaan näitä yhdisteitä käyttää monissa eri osa-alueen sovelluksissa. Nämä yhdisteet ovat mahdollistaneet vaatteissa käytettävien heijastimien, liikennemerkkien heijastimien sekä monien muovi- ja paperituotteiden paremman laadun. Koska kyseessä on orgaaninen yhdiste, voidaan siihen lisätä myös muiden materiaalien hyviä ominaisuuksia. Usein monet heijastimet on valmistettu yhdistämällä hyvin heijastavaa materiaalia sekä päivänvalossa fluoresoivaa materiaalia. Kuitenkin monet käytetyt materiaalit ovat kalliita sekä lisättäessä niitä vaatteisiin vaatteiden ominaisvärit muuttuvat. 5. Fluoresenssimittaukset Fluoresenssimittauksissa käytettäviä spektrometrejä on kahdenlaisia. Toiset spektrometrit lähettävät yhtä aallonpituutta, mittaavat ulostulon intensiteetin yhdellä aallonpituudella, lähettävät jotain toista aallonpituutta ja mittaavat taas ulostulon intensiteetin samalla aallonpituudella. Toisin sanoen näytteeseen osuvan valon aallonpituus muuttuu portaittain ja ulostuloa mitataan yhdellä aallonpituudella. Toiset spektrometrit mittaavat juuri päinvastaisella tavalla. Näytettä valotetaan kaikilla säteilyn aallonpituuksilla samaan aikaan ja mitataan valon intensiteettiä yhdellä aallonpituudella, jota voidaan muuttaa. Yleistetty versio fluoresenssimittalaitteista on esitetty kuvassa 5. Se koostuu valonlähteestä, valon suodattimesta tai monokromaattorista, fluoresenssinäytteestä, toisesta valon suodattimesta tai monokromaattorista ja fotodetektorista. Ensimmäisen monokromaattorin tehtävänä on valita haluttu valon aallonpituus tai aallonpituuskaista valonlähteen aallonpituuskaistasta ja ohjata haluttu aallonpituus mitattavaan näytteeseen. Toisen monokromaattorin tehtävä on suodattaa näytteestä tulevasta säteilystä haluttu aallonpituus ja ohjata se fotodetektorille. Fotodetektori mittaa itseensä osuvan valon intensiteetin. Optisia suodattimia käytetään, kun tarvitaan tietynlainen säteilyn taajuuskaista fluoresenssimittauksiin. Optisia suodattimia käytetään fluoresenssimittauksissa, koska ne ovat yksinkertaisia, halpoja, helposti siirrettäviä ja suodattavat hajaantunutta valoa. Suodattimet ovat optisia ali-, yli-, tai kaistanpäästösuodattimia. 13

Kuva 5 Fluoresenssimittalaitteen tyypillinen rakennekuva. [2] Kun mittauksissa halutaan käyttää vain yhtä tiettyä aallonpituutta, käytetään monokromaattoria, joka on hila tai prisma. Prisman käyttö on nykyisin harvinaista. Hilan avulla saadaan helposti ohjattua yksi säteilyn aallonpituus näytteeseen ja suodatettua muut aallonpituudet pois. Mittauslaitteiston rakenteella on merkittävä vaikutus havaittavan fluoresenssin suuruuteen. Näytteen asettelulla, muodolla ja näytettä paikalla pitävällä kotelolla on vaikutusta fluoresenssimittauksen laatuun. Fluoresenssimittauksissa täytyy aina huomioida virityssäteilyn aiheuttama virhe tuloksiin. Tätä virhettä voidaan vähentää näytteen oikealla asettelulla. Tapauksessa, jossa halutaan tutkia heijastavan materiaalin fluoresenssia, täytyy mittausjärjestelyssä kiinnittää huomiota kohteesta suoraan heijastuvaan säteilyyn sekä itse fluoresenssin aikaansaaman säteilyn eroon. Tällöin ei ole yhdentekevää mistä suunnasta valoa mitataan. Tarkastelemalla materiaalin emittoimaa valoa eri kulmissa, kun kohdetta valaistaan pinnan normaalin suunnassa, syntyy tietyissä kulmissa heijastuksen maksimikohta, joka on paljon suurempi kuin itse fluoresenssin aikaansaama valon emittointi. Tämä maksimikohta johtuu suoraan materiaalin valoa heijastavista ominaisuuksista, minkä seurauksena käytetäänkin yleensä mittausjärjestelyä, jolla eliminoidaan heijastuksien vaikutus. Näytteen lähettämää fluoresenssisäteilyä voidaan mitata useasta kulmasta, yleisesti ottaen kolmella eri tavalla. Ensimmäinen tapa on mitata näytteen lähettämää säteilyä 90 asteen kulmassa verrattuna näytteeseen tulevaan säteilyyn, edellyttäen, että näyte on kohtisuorassa siihen tulevaa säteilyä vastaan. 90 asteen geometria on tehokas, koska fotodetektorille ei mene yhtään heijastunutta säteilyä tai näytteen kotelon pinnasta suoraan emittoitunutta säteilyä. Toinen tapa on 14

laittaa näyte loivaan kulmaan suhteessa siihen osuvaan fluoresoivaan säteilyyn ja mitata näytteen emittoivaa säteilyä kohtisuorasti näytettä vastaan, jolloin näytteestä heijastunut säteily ei vaikuta mittaustuloksiin. Usein käytetään laitteistoa, jossa ainetta valaistaan 45 asteen kulmassa pinnannormaalin suhteen ja valoa mitataan pinnan normaalin suunnassa. Edellä mainittua tapausta kutsutaankin lyhyemmin 45/0 mittausjärjestelyksi. Monissa laboratoriosovelluksissa valaisukulmaa voidaan muuntaa, mutta valon mittaus tapahtuu pinnan normaalin suunnassa. Kolmas tapa on mitata säteilyä suoraan näytteen alta. Näytteeseen osuva virityssäteily tulee suoraan näytteen yläpuolelta ja näytteen alta mitataan näytteen emittoivan säteilyn määrä. Tämä tapa on melko harvinainen mittauksissa. Säteilylähteen valinnassa on kiinnitettävä huomiota vähintäänkin lähteen intensiteettiin, intensiteetin jakautumiseen eri aallonpituuksille ja lähteen vakauteen. Yleensä mittauksissa on kannattavaa käyttää mahdollisimman tehokasta säteilylähdettä. Jatkuvasti toimivat fluoresenssimittarit vaativat säteilylähteen, joka emittoi säteilyä jatkuvasti laajalla taajuusalueella. Korkeapaineisia ksenonlamppuja käytetään useissa kaupallisissa fluoresenssimittareissa. Ksenonlamppu pystyy luomaan vahvan ja melko vakaan säteilyn, jonka aallonpituusalue on laaja, aina 300 nm:stä 1300 nm:iin. Matalapaineisia elohopeahöyrylamppuja käytetään useimmiten mittauslaitteistoissa, joissa on suodattimia monokromaattoreiden sijasta. Matalapaineisten lamppujen vakaus on pääasiassa parempi kuin ksenonlampuilla ja ne voidaan päällystää fosforoivalla aineella, jotta aikaansaadaan vieläkin tasaisempi spektri. Matalapaineisella elohopeahöyrylampulla on useita vahvoja spektriviivoja, jolloin suodattimia käyttämällä saadaan valittua hyvin näytteeseen tuleva säteily. Myös useat laserit ovat hyviä fluoresenssimittauksiin. Laserit tarjoavat hyvin kohdistettua ja koherenttia valoa, mutta lasereita ei käytetä juuri ollenkaan kaupallisissa fluoresenssimittalaitteissa. Pääsyynä ovat ksenonlamput, jotka ovat paljon edullisempia ja helpommin ylläpidettäviä. Näytteestä tulevan signaalin mittaamiseen käytetään monenlaisia detektoreja. Detektori mittaa näytteestä tulevan signaalin intensiteetin. Detektorina voidaan käyttää monikanavaisia detektorirakenteita, jolloin voidaan mitata myös säteilyn eri aallonpituuksien intensiteettejä. Fluoresenssimittauksiin tarkoitetuilla detektoreilla pitäisi olla pieni pimeävirta, vähän kohinaa, suuri herkkyys ja suuri kvanttitehokkuus [1]. 5.1. Suodatinfluoresenssimittarit Suodatinfluoresenssimittarit ovat halpoja ja niillä pystytään tekemään helposti toistettavia mittauksia. Suodattimien absorptio-ominaisuuksien mukaan valitaan valon viritys- ja emissiosäteilyn aallonpituudet. Suodattimiin perustuvat fluoresenssimittarit ovat tarkkoja, mutta eivät kovin monikäyttöisiä. Monokromaattoreihin verrattuna tarvittavat suodattimet ovat pieniä ja säästävät tilaa. Monet kaupalliset sovellukset perustuvatkin juuri 15

suodatinfluoresenssimittauksiin. Pienen kokonsa sekä yksinkertaisuutensa johdosta niiden hinnat ovat muutamasta sadasta dollarista tuhansiin dollareihin [5]. Suodatinfluoresenssimittarit koostuvat yleensä valonlähteestä, suodattimesta ja näytteen kotelosta. Suodatin suodattaa näytteeseen halutun valon aallonpituuden. Fotomonistin mittaa näytteen emittoivan säteilyn. Fotomonistimen ja näytteen välissä on vielä suodatin, joka päästää lävitseen fotomonistimelle näytteen aikaansaaman fluoresenssisäteilyn ja absorboi itseensä heijastuneen virityssäteilyn. Suodatinmittarit mahdollistavat erittäin suurten viritysvalotehojen käytön ja tehokkaan emissiovalon mittaamisen. Suodatinten huonona puolena on, että ne eivät ole yhtä selektiivisiä kuin monokromaattorit. Virityssuodattimet ovat yleensä kaistanpäästösuodattimia, jotka päästävät lävitseen melko laajan aallonpituusalueen. Näiden yhteydessä voidaan käyttää interferenssisuodattimia, jotka poistavat valonlähteestä tulevia ei-toivottuja intensiteettipiikkejä. Emissiosuodattimet ovat puolestaan alipäästösuodattimia, ne estävät lyhyiden aallonpituuksien etenemisen ja päästävät lävitseen pitkät aallonpituudet. Fotodetektorit mittaavat yleensä melko laajalta spektrialueelta, joten mittauksissa kannattaa käyttää tarkkoja suodattimia, jolloin ei-toivotun valon määrä detektoreilla vähenee. Suodatinmittareissa käytetään usein osittaista tuplasädejärjestelyä. Sen käyttö vähentää valonlähteen aallonpituuden ajelehtimisesta johtuvia vaikutuksia. Valonlähteestä tulevaa valoa sekä näytteestä tulevaa fluoresenssisäteilyä mitataan, näiden intensiteettejä vertaamalla saadaan mittari kalibroitua, vaikka valonlähde tai detektori ajelehtisi. Tuplasädejärjestelmiä on kehitetty monenlaisia. Kuvassa 5. on esitetty yksi järjestely. Käytetyn referenssisäteen kulkeminen näkyy kuvan oikeassa laidassa. Referenssisignaali kulkee valonlähteestä peiliin, josta se heijastetaan referenssifotomonistimelle. Elektroniset signaalit referenssi- ja näytefotomonistimilta syötetään laskimelle, joka suorittaa signaalien vertailun. 5.2. Kanadan kansallisen tutkimusneuvoston spektrometri (NRC) Kanadalaiset tiedemiehet ovat kehittäneet mittauslaitteiston, jolla voidaan mitata spektristä luminesenssisäteilyä. Myös heijastuneen säteilyn mittaus geometrialla 45º/0º onnistuu käyttäen CIE ja ASTM värienmittaus standardeja [6,7] valon kaistan ollessa 240 nm-1050 nm. NRC:n mukaisessa laitteistossa tutkittavaa näytettä valaistaan ensin hyvin hallitulla valolla, jonka jälkeen erilaisten suodatusten jälkeen voidaan määrittää näytteen emittoima säteily. Valon polarisaatiosuunnat tulee olla tarkkaan säädettyjä, jotta vältetään mittalaitteiston turha biasoiminen [8]. Kuvassa 6 on esitetty laitteistossa käytettävät osat sekä miten ne ovat sijoitettu. 16

Kuva 6 rakennekuva NRC:n valmistamasta referenssi spektrofluorometrista. [8] Tarkastelemalla kuvaa 6 huomaamme, että laitteistossa käytetään valaisijana ksenonlamppua, joka on varsin yleisesti käytössä oleva valonlähde eri spektrometrian sovelluksissa. Laitteisto koostuu useasta eri lohkosta, jotka voidaan erotella seuraavasti. Ensimmäisenä on valonlähde, jona tässä laitteistossa toimii 300 W ksenonlamppu. Haluttaessa tarpeeksi hyvän virityksen omaavia fotoneja täytyy ne ensin johtaa monen komponentin läpi ennen kuin niitä voidaan ohjata näytteeseen. Virityslohkossa muokataan valoa, jotta saadaan hyvin kollimoitu, tarkka valokeila, joka aikaansaadaan peilien avulla. Tällä tavoin voidaan myös poistaa valonlähteen mahdollisia epäideaalisuuksi sekä mahdollista ryömintää. Tämän jälkeen valo johdetaan Glan-Taylor polarisaattoriprismaan ja edelleen usean eri suodattimen läpi. Glan-taylor polarisaattori koostuu kahdesta prismasta, jotka on asetettu hyvin lähelle toisiaan. Tällöin voidaan erottaa eri polarisaatiot toisistaan. Laitteistossa käytettävät monokromaattorit ovat 17

molemmat samanlaisia Czerny-Turner monokromaattoreita, joissa on käytetty kahta erisuuruista diffraktiohilaa. Käytettäessä kahta diffraktiohilaa voidaan parantaa laitteen toiminta-aluetta huomattavasti. Ensimmäinen hila on suunniteltu toimimaan parhaiten 200 700 nm suuruiselle valolle ja toinen 450 1100 nm valolle. Diffraktiohilojen avulla voidaan säätää tarkkaan minkä suuruisen energian omaavilla fotoneilla näytettä valaistaan. Ksenonvalo kytketään viritysmonokromaattoriin hilan kautta, jonka jälkeen valonlähteen koko on 6 x 2 mm. Monokromaattorin ulostuloon on jälleen liitetty yksi hila, joka on sovitettu vastaamaan valonlähteen kokoa. Hilan rakojen ollessa 6 mm saavutetaan paras mahdollinen sovitus eikä valoa menetetä. Käytettäessä 45º/0º valaistus- ja detektointilaitteistoa näytteestä heijastuu valoa, joka muodostaa kartion, tämän seurauksena tulee valaisuun käytettävä valo suunnata näytteen pintaan, jotta vältettäisiin mahdollinen heijastuminen. Viritysmonokromaattorilta tuleva valo johdetaan elliptisen peilin läpi, jonka seurauksena näytettä valaistaan valolla, joka muodostaa näytteen suhteen 45º kulmassa olevan kartion. Näytteestä valaistaan yleensä 10 x 10 mm aluetta. Näyte kiinnitetään alustaan, jossa on myös referenssinäytteitä. Yleensä käytetään tutkittavan näytteen kanssa mustaa sekä valkoista referenssinäytettä. Askelmoottoreilla voidaan tarkasti pyörittää levyä, jolloin voidaan muuttaa valaisukulmaa. Näytteen emittoima ja heijastama säteily kerätään 45º kulmassa olevalla tasopeilillä, josta se johdetaan erilaisten suuntausoptiikoiden kautta kvartsidiffuusiosylinteriin. Peili on heijastava molemmin puoli, joten se heijastaa osan viritysmonokromaattorilta tulevasta säteilystä monitoridetektorille (kuva 6). Suuntausoptiikka pitää sisällään apertuurin, koveria pelejä sekä toroidi- ja pallopeilejä. Peilien sekä apertuurin avulla muokataan näytteestä tulevaa valoa, jotta aikaansaadaan tarkka kuva näytteestä, jonka jälkeen kvartsidiffuusiosylinterin avulla voidaan tasoittaa detektorin vastetta. Kvartsidiffuusiosylinteri sijaitsee ennen emissiomonokromaattorin suulla olevaa hilaa. Emissiomonokromaattori on täsmälleen samanlainen kuin viritysmonokromaattori. Emissiomonokromaattorin jälkeen on vielä optiikkaa parantamassa säteen laatua, polarisaattori sekä toisen asteen reikälevy. Detektorina toimii InGaAs:sta valmistettu valomonistinputki. Koska detektorin vaste on riippuvainen lämpötilasta, täytyy sen lämpötilaa kontrolloida. Laitteistossa käytetty InGaAs valomonistinputki pystyy havaitsemaan valoa, jonka aallonpituus on välillä 250 1050 nm. Laitteiston ohjaus sekä datan vastaanottaminen tapahtuvat suoraan tietokoneelta. Laite on kytketty tietokoneeseen IEEE-48 standardin mukaisesti. NRC:n tiedemiehet ovat ohjelmoineet Windows-käyttöjärjestelmässä olevan VisualBasic-ohjelman, jolla voidaan tarkasti ohjata laitteiston osia. Näin ollen voidaan säätää lähes kaikkea: valaistuksessa käytettävän valon aallonpituutta, diffraktiohilojen suuntia, rakolevyjä, sulkijoita ja näytteen valaisukulmaa jne. Ohjelman käytössä on pyritty siihen, että se olisi mahdollisimman käyttäjäystävällinen ja niinpä ohjelma on mahdollisimman yksinkertainen käyttää. Valinnat tapahtuvat graafisista ikkunoista ja käyttäjä näkee suoraan erilaisista kuvaajista mittaustulokset. Ohjelman avulla voidaan myös suoraan suorittaa 18

laitteiston kalibrointi [8]. Käyttäjän ei siis tarvitse puuttua itse ohjelman toimintaa, kuten on monissa vanhemmissa spektrometreissa. 5.2.1. Spektrometrin kalibrointi sekä mittausjärjestely Laitteessa käytettävät kaksi samanlaista monokromaattoria vaativat säännöllisen kalibroinnin, jotta voidaan saavuttaa luotettavia mittaustuloksia. Myös laitteiston muiden osien ominaisuudet muuttuvat ajan myötä, joten laitteiston kaikkien laitteiden kalibrointi tulee suorittaa tarpeeksi usein. Monokromaattorien diffraktiohilojen moottorit kalibroidaan käyttäen apuna valonlähdettä, jonka aallonpituus tunnetaan tarkasti ja se pysyy stabiilina. Diffraktiohilat asetetaan nollapisteeseen ja mitataan hilan aikaansaama valon spektri. Käytettäessä tarkkaan tunnettuja valonlähteitä, joiden valo hajoaa hilassa ennestään tunnetuiksi spektriviivoiksi, voidaan kalibroida diffraktiohilojen paikat. Mitattua spektrikuviota vertaamalla tunnettuun kuvioon voidaan hilan asento säätää tarkasti nollapisteeseen. Lämpötila vaikuttaa hilojen kulmiin, joten lämpötilan vaikutus pitää kumota. Laitteen käynnistymisen yhteydessä mitataan automaattisesti lämpötila ja säädetään hilojen kulmat. Haluttaessa mitata näytteen emittoiman säteilyn koko spektraalista kenttää täytyy mittaus suorittaa monessa eri vaiheessa. Ensin tulee määrittää viritys- sekä emissiosäteilyn rajat ts. ne aallonpituudet, joilla näytettä valaisemalla koetaan fluoresenssi sekä minkä suuruista säteilyä näyte emittoi. Ensin asetetaan virysmonokromaattorille tietty säteilyn aallonpituus ja skannataan emittoitunut säteily laajalla kaistalla. Tämän jälkeen asetetaan emissiomonokromaattori tietylle säteilyn aallonpituudelle ja säädetään virityksessä käytettävien fotonien aallonpituutta. Tästä mittauksesta voidaan määrittää monokromaattorin rajaaallonpituudet. Mittaustulosten kannalta on äärimmäisen tärkeää, että näyte sijaitsee täsmälleen symmetrisesti referenssinäytteiden kanssa kiekolla (kuva 6). Näytealustaa pyöritettäessä näytteiden sekä referenssikohteen pitää olla tarkasti samassa kulmassa sekä samalla etäisyydellä reunasta, jotta saavutettaisiin tarkat mittaustulokset. Näytteet voidaan kohdistaa käyttäen apuna siihen suunniteltua laitteistoa, joka yksinkertaisesti perustuu eri näytteiden muodostamien kuvien tarkkuuden vertailuun [8]. Ympäristöstä saapuvan säteilyn huomioonottaminen on tärkeää, koska varsin usein näytteen oma säteily on samalla aallonpituusalueella kuin ympäristön säteily. Siksi käyttämällä hyväksi detektorin edessä olevaa sulkijaa voidaan määrittää ympäristön vaikutus ja näin ollen kumota se. 19

5.3. Fluoresenssin käyttö paperiteollisuudessa Nykyisessä paperin tekemisessä vaaditaan paperikoneilta yhä enemmän nopeutta ja parempaa käytettävyyttä, jolloin paperin laatua on pystyttävä tarkkailemaan koneiden käydessä. Tästä syystä käytön yhteydessä tapahtuva mittaus ja kontrollointi ovat tärkeitä. Yksi tapa tarkkailla paperin laatua on laittaa pieni määrä fluoresoivaa ainetta paperimassan sekaan ja tarkkailla paperin tekovaiheessa kuinka paljon paperi emittoi fluoresenssivaloa. Tehtäessä paperista fluoresenssimittauksia on otettava huomioon kaikki aikaisemmin olleet vaiheet paperinvalmistuksessa. Paperin fluoresenssiominaisuudet vaihtelevat paperin raaka-aineiden sekä paperin valmistustavan johdosta. Esimerkiksi ph-vaihtelut eri paperinvalmistusmenetelmien välillä vaikuttavat fluoresenssin määrään, vaikka fluoresoivaa ainetta olisi tarkalleen saman verran eri tavalla valmistetuissa papereissa. 5.3.1. Fluoresenssin mittaus paperista Paperin fluoresenssivalon mittauksessa ei yleensä voida käyttää 90 asteen kulmaa viritys- ja emissiovalon välillä. Paperista ei myöskään näy hyvin läpi, joten fluoresenssin mittaaminen paperin läpi ei ole hyvä vaihtoehto. Yleisin tapa onkin mitata fluoresenssia viritysvalon puolelta, esim. 45 asteen kulmasta verrattuna viritysvaloon. Monia erityyppisiä valonlähteitä voidaan käyttää valotuksessa. Kuvassa 7 on esitetty eräs sovellus paperin fluoresenssin mittaamiseen. Valonlähteenä on käytetty kirkasta, sinistä valoa emittoivaa lediä, koska sinisen valon ledeillä pystytään luomaan melko kapea emissiospektri alhaisella hinnalla sekä niiden monokromaattisen luonteen takia. Sinisen valon ledin monokromaattisen luonteen takia detektorina pystytään käyttämään fotodiodia fotomonistimen sijaan. Laitteessa on ledin jälkeen optinen suodatin, joka kaventaa ledin emittoivan valon aallonpituuskaistaa päästämällä lävitseen ledin aallonpituuskaistaa kapeamman kaistan. Suodattimen jälkeen viritysvalo kohdistetaan paperiin linssillä. Näytteeseen osuva viritysvalo aikaansaa fluoresenssia paperin fluoresoivissa aineissa. Paperin emittoiva fluoresenssi kerätään ja kohdistetaan linssillä detektorille. Linssin ja fotodiodin välissä on vielä optinen suodatin, jotta paperista heijastunut viritysvalo ja muut fluoresenssivalon aallonpituudet eivät häiritsisi mittauksia. Tämä optinen suodatin päästää lävitseen fluoresenssivalon ja suodattaa muut valon aallonpituudet pois. Kuvan 7 tapauksessa detektorina on käytetty fotodiodia, mutta myös herkemmän fotomonistimen käyttö olisi mahdollista. Detektorissa fluoresenssivalo aikaansaa virtaa ja tämä virta ohjataan vahvistinpiiriin, jossa se vahvistetaan tulkittavaksi signaaliksi. 20

Kuvan 7 laitteella pystytään mittaamaan helposti fluoresenssia, vaikka fluoresenssiaineen konsentraatio paperissa olisi selvästi alle 500 ppb. Jo 10 ppb muutoksella saadaan fluoresenssisignaaliin yli 10 mv muutos.[9] Kuva 7 Paperin fluoresenssin mittaamiseen käytettävä fluoresenssimittari. [9] 5.3.2. Puukuitujen ominaisuuksien määrittely sellusta Paperiteollisuudessa yksi suurimmista haasteista on määrittää paperin raakaaineena käytettävän sellun koostumus. Mitä paremmin voidaan määritellä sellun koostumus sekä ominaisuudet sitä helpompaa on valmistaa erilaisia paperilaatuja. Sellun koostumuksen tarkastelussa on hyvin tärkeää, että voidaan määrätä tarkasti tiettyjen seoksessa olevien materiaalien määrä. Valitettavasti sellussa olevien materiaalien mittaaminen suoraan ei onnistu kovin tarkasti kuten puolijohteissa. Puolijohteista voidaan määrittää niissä olevien epäpuhtauksien määrä suoraan mittaamalla esimerkiksi niiden resistanssi. Kuten puolijohteissa, voidaan ajatella, että selluun lisätään epäpuhtauksia, joilla muutetaan sen ominaisuuksia. Sellussa olevien materiaalien sekä ominaisuuksien muunteluun käytettävien yhdisteiden määriä voidaan mitata käyttämällä hyväksi materiaaleille ominaista fluoresenssia. Monia hyvinkin erilaisia menetelmiä on kehitetty vuosien varrella. Yksi lupaavimmista on yhdysvaltalaisten tutkijoiden jättämä patentti US 2005/0019948. [10] Sellussa olevien puukuitujen ominaisuuksien määrittäminen ei vielä nykypäivänä ole riittävällä tasolla, jotta voitaisiin saavuttaa todella hyvälaatuista 21

sellua. Uuden patentin myötä sellussa olevien yksittäisten puukuitujen ominaisuuksia voidaan määrittää entistä tarkemmin. Sellun ominaisuuksia ei voida suoraan määrittää tuotantolinjalta vaan sellusta on otettava näyte, josta ominaisuudet voidaan määrittää. Tällainen mittausjärjestely ei tietenkään tarjoa parasta mahdollista reagointia mahdollisiin raaka-aineessa oleviin virheisiin. Tästä johtuen tarvitaan muita mittauksia, joilla voidaan määrittää sellun ominaisuudet välittömästi tietyissä rajoissa. Sellusta otetaan tietyn suuruinen näyte, johon lisätään väriliuosta. Väriliuoksen avulla voidaan erotella sellussa olevat materiaalit. Seos sekoitetaan hyvin, jolloin syntyy lietettä. Lietteestä erotellaan tutkittavat materiaalit, joihin edelleen sekoitetaan vettä sekä valkaisuainetta. Näin voidaan erottaa puukuidut sellun seasta ja tutkia niiden ominaisuuksia valon avulla. Valkaisuaineen avulla voidaan pienentää ympäristön emittoimaa fluoresenssia ja näin voidaan keskittyä vain puukuitujen aikaansaamaan fluoresenssiin. Erotetut puukuidut johdetaan mittauslaitteiston läpi virtauskanavaan, jossa niitä valaistaan ja mitataan emittoituvien fotonien energiat kahdella CCD-kameralla. Kuva 8 sellusta otettavan näytteen sekä sille suoritettavan valaisun virtauskaavio. [10] Kuvassa 8 on esitetty kaavio miten sellusta otettu näyte kulkee prosessin läpi. Tarkastelemalla kuvaa 8 vasemmalta oikealle huomataan seuraavat osat: laimennus sekä valkaisun säiliö, ensimmäinen pumppu, näyteastia, virtauskanava, suodatin, toinen pumppu, välivarasto ja viemäri. Ensimmäisen pumpun avulla sekoitetaan keskenään otettu näyte sekä laimennuksessa tarvittavat kemikaalit. Ne johdetaan virtauskanavaan, jossa tapahtuu valaiseminen sekä fluoresenssin havaitseminen. Tämän jälkeen näyte johdetaan suodattimeen, joka suodattaa seoksesta puukuidun sekä siinä olevan nesteen erilleen. Neste pumpataan välivarastoon, jonka avulla saadaan laitteisto toimimaan paremmin sitä pysäytettäessä. Tämän jälkeen neste sekä puukuidut käsitellään kemiallisesti, jotta ne voidaan hajottaa tai johtaa viemäriin. 22