Unbiased Color Analysis using UV-Visible Spectrophotometers

Význam tématu

Barva materiálů je důležitým ukazatelem kvality v řadě průmyslových odvětví (textil, barvy, potraviny, farmacie, vodní a odpadní hospodářství). Instrumentální, bezpředsudková analýza barvy pomocí UV-Visible spektrofotometrie umožňuje kvantitativní a reprodukovatelné posouzení barevných vlastností vzorků, od kapalin po pevné látky (pomocí integrované sféry). To zvyšuje konzistenci mezi laboratořemi a eliminuje subjektivitu lidského pozorování.

Cíle a přehled studie / článku

Text popisuje postupy a standardní metody pro instrumentální stanovení barvy pomocí UV-Visible spektrofotometrie. Cílem je představit běžně používané metody převodu spektra na barevné souřadnice (tristimulus X,Y,Z; CIE L*a*b* a L*C*h*), přiblížit výpočty rozdílu barev (∆E*) a diskutovat alternativní škály jako Pt-Co (Hazen/APHA), yellowness index a Gardner. Součástí jsou experimentální ukázky na sadách potravinářských barviv a žlutých roztoků, včetně interpretace výsledků a limitací jednotlivých metod.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Sběr spekter v UV-Vis oblasti (vnímavé pásmo 400–700 nm) pro kapalné i pevné vzorky.
• Převod naměřeného spektra na tristimulusní hodnoty X, Y, Z a následné výpočty CIE L*a*b* a L*C*h* pro jednotné srovnání.
• Výpočet rozdílu barev ∆E* podle vzorce ∆E* = sqrt((∆L*)² + (∆a*)² + (∆b*)²) pro kvantifikaci odchylky vzorek–referencí.
• Stanovení Pt‑Co (Hazen/APHA) hodnot a yellowness indexu pro žluté vzorky a Gardnerovy jednotky pro silněji zbarvené žlutohnědé kapaliny.
• Důraz na předanalyzační kroky: filtrace vzorků (odstranění nerozpuštěných částic) a odpěnění/degassing (u nasycených nápojů jako pivo), aby se minimalizovalo rozptylové ovlivnění spektra.

Instrumentace (explicitně uvedeno v textu):

• Thermo Scientific™ Evolution™ One Plus UV‑Visible spektrofotometr (použité zařízení pro demonstrační měření).
• 1,0 cm polystyrenová kyveta pro měření kapalin.
• Integrující sféra pro měření difuzní reflexe u pevných vzorků a neprůhledných materiálů.

Standardy a podmínky měření:

• Požadavky farmakopeí: USP <631> a USP <1061>, Evropská farmakopej (EP 2.2.2) – volba iluminantu a úhlu pozorovatele (EP požaduje C/2°, USP umožňuje C/2° nebo D65/10°).
• Metody pro vodní analýzu a potraviny podle APHA/ASBC/AWWA/ASTM; reference na ASTM E308 pro výpočet barev podle CIE.

Hlavní výsledky a diskuse

Ukázkové měření potravinářských barviv:

• Spektrální data (měřená v kyvetě 1,0 cm) byla přepočtena na tristimulusní X,Y,Z a na CIE L*a*b* a L*C*h* hodnoty (Tabulka 1). Naměřené L*, a*, b* ukazují očekávané rozdíly mezi barvami (např. vysoké pozitivní b* pro žlutou, vysoké pozitivní a* pro červenou, negativní a* pro zelenou apod.).
• Vizualizovaná colorimetrická data ukazují, že CIE L*a*b* a L*C*h* jsou vhodnější pro kvantitativní srovnání vnímání barev než surové tristimulusní hodnoty díky relativní uniformitě barevného prostoru.

Pt‑Co, yellowness index a Gardner (Tabulka 2 a experimenty na žlutých roztocích):

• Pt‑Co škála je vhodná primárně pro slabě zbarvené žluté vzorky; horní limit je definován (standardně 500), přičemž nejkoncentrovanější testované vzorky byly označeny jako „Out of Range“ pro Pt‑Co, přestože jejich maximální absorbance byla nízká (~0,25).
• Yellowness index lze spočítat z tristimulusních dat a korelovat s Pt‑Co hodnotami, což umožňuje převod mezi spektrofotometrickým měřením a historicky vizuálními standardy.
• Gardnerova škála je vhodná pro silněji zabarvené žlutohnědé kapaliny (průmyslové oleje, pryskyřice); má vlastní rozsah (až ~18 kolorimetrických jednotek), a v testu byla použita pro silnější koncentrace, kde Pt‑Co už ztrácí citlivost.

Důsledky předanalyzačních chyb:

• Nerozpuštěné částice a bubliny výrazně ovlivňují měření (vlnově závislý rozptyl), mohou zkreslovat spektrální tvary a následně vypočtené barevné souřadnice.
• Filtrace a degassing jsou tedy kritické kroky pro získání spolehlivých a reprodukovatelných výsledků.

Přínosy a praktické využití metody

• Poskytuje objektivní, reprodukovatelnou metodu pro kontrolu barev v QA/QC procesech (textil, barvy, potraviny, farmacie).
• Umožňuje rychlé odhalení kontaminantů nebo degradovaných surovin podle změn barevných parametrů.
• Podporuje shodu s regulovanými postupy (USP, EP, ASTM, APHA, ASBC) a umožňuje digitalizaci a archivaci výsledků pro sledovatelnost.
• Různé škály (CIE L*a*b*, Pt‑Co, Gardner) poskytují flexibilitu pro různé aplikační potřeby: CIE L*a*b* pro obecné a přesné vnímání, Pt‑Co pro slabé žluté zabarvení vody, Gardner pro silné žlutohnědé kapaliny.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace spektrofotometrie s automatizovanými liniemi (at‑line a in‑line monitoring) pro kontinuální kontrolu kvality.
• Pokročilé zpracování spektrálních dat a využití chemometrie a strojového učení pro lepší predikci složení a původu barevných odchylek.
• Standardizace mezi zařízeními a laboratořemi, včetně online kalibračních křivek a digitálních etalonů, ke snížení mezi­laboratorních rozdílů.
• Rozšířené využití difuzní reflexe a multifunkčních senzorů pro pevné a složité matricové materiály.

Závěr

UV‑Visible spektrofotometrie poskytuje robustní a nestranný přístup k analýze barvy napříč odvětvími. Převod spektrálních dat na tristimulusní a CIE barevné souřadnice umožňuje přesné srovnání a hodnocení barevných odchylek, zatímco alternativní škály (Pt‑Co, Gardner, yellowness index) nabízejí specializované nástroje pro konkrétní aplikace. Klíčové je správné předpřipravení vzorku (filtrace, degassing) a použití adekvátních standardů a parametrů měření dle příslušných monografií.

Reference

1. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23rd ed.; Baird, R. B.; Eaton, A. D.; Rice, E.
2. United States Pharmacopeia and National Formulary. <631> Color and Achromicity. In: USP–NF. Rockville, MD: USP.
3. United States Pharmacopeia and National Formulary. <1061> Color – Instrumental Measurement. In: USP–NF. Rockville, MD: USP.
4. European Pharmacopoeia. 2.2.2. Degree of Coloration of Liquids. In: European Pharmacopoeia. Strasbourg, France: European Pharmacopoeia.
5. ASTM International. Standard Practice for Computing the Color of Objects by Using the CIE System; ASTM E308-08; West Conshohocken, PA.
6. Color Analysis for Pharmaceutical Products Using UV-Visible Absorption Techniques, Thermo Fisher Scientific application note, 2022.
7. ASBC Methods of Analysis. Beer Method 10. Color. American Society of Brewing Chemists. Approved 2002, rev. 2015.
8. ASTM International. Standard Practice for Calculating Yellowness and Whiteness Indices from Instrumentally Measured Color Coordinates; ASTM E313-20; West Conshohocken, PA.
9. ASTM International. Standard Test Method for Color of Clear Liquids (Platinum‑Cobalt Scale); ASTM D1209-00; West Conshohocken, PA.
10. Use of UV-Visible absorption measurements for Pt‑Co color analysis and yellowness index calculations, Thermo Fisher Scientific application note, 2024.
11. Zobkov, M. B.; Zobkova, M. V., New Spectroscopic Method for True Color Determination in Natural Water with High Agreement with Visual Methods, Water Res., 2020, 177, 115773.
12. ASTM International. Standard Test Method for Color of Pine Chemicals and Related Products (Instrumental Determination of Gardner Color); ASTM D6166-12R22; West Conshohocken, PA.