Fluoreszenz - de.LinkFang.org

Fluoreszenz

Fluoreszenz (fluorɛsˈt͜sɛnt͜s) ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Anregung eines Materials durch Elektronenübergang. Dabei ist das emittierte Licht in der Regel energieärmer als das vorher absorbierte. Physikalische Systeme, bei denen Fluoreszenz auftritt, heißen Fluorophore. Fluoreszente Stoffe, die für Färbungen verwendet werden, werden Fluorochrome oder Fluoreszenzfarbstoffe genannt. Ist das anregbare Material Teil eines Organismus, spricht man auch von Biofluoreszenz (in Analogie zu Biolumineszenz). Ist ein Gegenstand von selbst fluoreszent, also ohne, dass er angefärbt werden muss, spricht man von Autofluoreszenz oder Eigenfluoreszenz.

Im Gegensatz zur Phosphoreszenz erfolgen bei der Fluoreszenz erlaubte Übergänge zwischen zwei elektronischen Zuständen. Die angeregten Zustände haben daher eine kurze Lebensdauer und die Fluoreszenz klingt nach kurzer Zeit ab.

Der Begriff Fluoreszenz (im Original „fluorescence“) wurde 1852 von George Gabriel Stokes eingeführt.[1] Das Wort leitet sich vom manchmal fluoreszierenden Mineral Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF2) ab.

Inhaltsverzeichnis

Phosphoreszenz und Fluoreszenz


Sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz sind Formen der Lumineszenz (kaltes Leuchten) und sind photophysikalische Prozesse.

Fluoreszenz ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Ende der Bestrahlung rasch (meist innerhalb einer Millionstel Sekunde) endet. Bei der Phosphoreszenz hingegen kommt es zu einem Nachleuchten, das von Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern kann.

Erklärung

Wird der Fluorophor optisch, also durch die Absorption eines Photons, angeregt und desaktiviert anschließend unter Aussenden von Licht, so spricht man von Photolumineszenz.

Der angeregte Fluorophor verweilt nach der Absorption eine bestimmte Zeit im angeregten Zustand. Diese Zeit wird im Allgemeinen als Lebensdauer oder im Speziellen auch als Fluoreszenzlebensdauer bezeichnet. Nach den Regeln der Quantenmechanik ist die Fluoreszenzlebensdauer kurz, da die Lichtemission „erlaubt“ ist und daher schnell erfolgt. Hintergrund ist, dass bei der Rückkehr in den Grundzustand keine Spinumkehr erfolgen muss. Die Aussendung von Fluoreszenzlicht konkurriert mit anderen photophysikalischen Prozessen (Internal Conversion, Intersystem Crossing), welche die Fluoreszenz schwächen. Die Wahrscheinlichkeit, mit der die Anregung eines Fluorophors tatsächlich zur Emission eines Fluoreszenzphotons führt, nennt man Fluoreszenz-Quantenausbeute.

Das abgegebene Fluoreszenzlicht ist in der Regel gegenüber dem Anregungslicht in den langwelligen Bereich des Lichtspektrums verschoben. Dieser Effekt wird Stokessche Regel genannt. Der Effekt beruht darauf, dass bei der elektronischen Anregung zunächst höhere Schwingungszustände des angeregten Zustands besetzt werden, die ihre Energie dann durch Schwingungsrelaxation abgeben. Ebenso werden bei der Emission (aus dem Schwingungsgrundzustand des angeregten Zustands) oftmals zunächst höhere Schwingungszustände des Grundzustands besetzt. Im Allgemeinen wird daher zur Anregung mehr Energie aufgewendet (kürzere Wellenlänge) als bei der Emission abgegeben wird (längere Wellenlänge). Der Energieerhaltungssatz wird dabei nicht verletzt, da die Differenzenergie an die Umgebung abgegeben wurde (Schwingungsrelaxation). Im Grenzfall können natürlich Anregung und Emission jeweils zwischen den Schwingungsgrundzuständen von angeregtem und Grundzustand erfolgen. In diesem Fall erfolgen Anregung und Emission mit der gleichen Wellenlänge und man spricht von Resonanzfluoreszenz.

Desaktivierung

Nichtstrahlende Desaktivierungsprozesse können durch Gegenwart bestimmter Stoffe, sogenannter Quencher, gefördert werden. Das Phänomen, dass diese Konkurrenzprozesse die Fluoreszenz vermindern, wird als Fluoreszenzlöschung (quenching) bezeichnet. Ein wichtiger Quencher, besonders für die Fluoreszenz organischer Fluorophore, ist molekularer Sauerstoff (O2). Hierauf beruhen Verfahren zur Bestimmung der Massenkonzentration von Sauerstoff in der Sensorik (Sauerstoffsensor), z. B. zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration in der Luft. Die Abhängigkeit der Fluoreszenzquantenausbeute von der Konzentration eines Quenchers wird oft durch die Stern-Volmer-Gleichung gut beschrieben.

In einem alternativen, nichtstrahlenden Prozess kann der angeregte Zustand durch ein sog. intersystem crossing seine Multiplizität zum in der Regel energetisch tieferliegenden Triplettzustand (Ausnahme: z. B. molekularer Sauerstoff) ändern. Von hier aus sind wiederum verschiedene Desaktivierungskanäle offen, wobei der strahlende, d. h. Licht emittierende, als Phosphoreszenz bezeichnet wird.

Fluoreszierende Stoffe (Auswahl)


weitere Farbstoffe: in der Kategorie Fluoreszenzfarbstoff

Vorkommen


Kosmische Strahlung

Hochenergetische Kosmische Strahlung löst in der Erdatmosphäre Teilchenkaskaden, sog. ausgedehnte Luftschauer, aus. Die geladenen Teilchen dieser Schauer regen die Stickstoffmoleküle der Luft an, so dass diese Fluoreszenzlicht ausstrahlen. Durch Messungen dieses Lichtes lassen sich Rückschlüsse auf die primäre kosmische Strahlung gewinnen. Ähnliche Phänomene sind das Polarlicht, bei dem die Anregung der Luftmoleküle in erster Linie durch die Teilchen des Sonnenwindes erfolgt, und die Strahlung des leuchtenden Kometenschweifs, bei dem infolge der Wechselwirkung mit dem Sonnenwind Moleküle Licht ausstrahlen.

Mineralogie, Gemmologie (Edelsteinkunde)

Mineralien, Schmucksteine, Fasern und viele andere Materialien, die an Sammlerstücken und Antiquitäten untersucht werden, haben unterschiedliche Fluoreszenzeigenschaften, wenn sie mit kurz- oder langwelligem UV-Licht oder mit Röntgenstrahlen bestrahlt werden, und können dadurch identifiziert werden.

Auch in der Paläontologie nutzt man Fluoreszenz zum Auffinden und zur Untersuchung zahlreicher Fossilien.

Biofluoreszenz

Biofluoreszenz, Fluoreszenz von Organismen, ist bekannt bei Katzenhaien.[2] Es gibt aktuelle Filmaufnahmen, die Biofluoreszenz (verteilt über den ganzen Körper) zeigen,[3] nachweisbar nur mit speziellem Licht. Fische, insbesondere kleine, bodengebundene Meeresfische sowie diverse Korallenfische aus verschiedenen Familien (v. a. Gobiidae, Tripterygiidae, Labridae und weitere) haben rot fluoreszierende Muster als Teil der Körperfärbung oder rot fluoreszierende Augen. Dies ist ein Trick, um in tieferem Wasser, in dem blau-grünes Umgebungslicht dominiert, dieses in ein auffälliges rotes Leuchten umzuwandeln. Über die genauen Mechanismen und Funktionen dieser Fluoreszenz ist noch wenig bekannt.[4] John S. Sparks widmete sich u. a. der Erforschung der Biolumineszenz bei Meeresfischen.[5]

Die Cuticula der Skorpione fluoresziert bei Bestrahlung mit UV-Licht. Dabei werden eingelagerte beta-Carboline und 7-Hydroxy-4-methylcumarin angeregt. Auch nach dem Ableben der Tiere bleibt dieser Effekt erhalten. Mit Hilfe entsprechender Lampen können die Tiere daher bei Dunkelheit leicht entdeckt werden.

Vogelfedern können ebenfalls Biofluoreszenz zeigen. Einige Papageienvögel besitzen Federn die eine schwefelgelbe Fluoreszenz zeigen. Im Normallicht sind diese Federn (wenn sie nicht von anderen Pigmenten überlagert werden) blassgelb. Das Sehvermögen von Vögeln, die oft tetrachromatische Augen besitzen, reicht bis in den UV-Bereich. Fluoreszenz bewirkt hier eine Abdunklung des im UV-Bereich reflektierten Lichtes. Unter normalen Lichtverhältnissen ist diese Fluoreszenz zu schwach, um bemerkt zu werden.

Anwendungsgebiete


Im Folgenden sollen einige Methoden und Anwendungsgebiete genannt werden:

Fluoreszenzspektroskopie

Der Begriff der Fluoreszenzspektroskopie fasst Methoden zusammen, die die Fluoreszenzeigenschaften von Fluorophoren ausnutzen, um Informationen über die untersuchten Systeme zu gewinnen. Es gibt viele natürliche und synthetische Verbindungen, die Fluoreszenz zeigen. Mit Hilfe der Spektroskopie lässt sich daher die Zusammensetzung einer Probe ermitteln.

Siehe auch: Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie, Fluoreszenzpolarisation, Fluoreszenztomographie, Fluoreszenzmikroskopie.

Aufhellung und Dekoration

Durch die Absorption (unsichtbaren) ultravioletten und blauen Lichts und die Aussendung längerwelligen sichtbaren Lichts lässt sich eine Aufhellung erzielen:

Bereits im 19. Jahrhundert wurde über die Fluoreszenz des Aesculins, bzw. sonnenlichtbestrahlter, wässriger Auszüge von Rosskastanienrinde berichtet.[6][7] Diesen Effekt untersuchte der deutsche Chemiker Paul Krais (1866–1939), indem er Wolle und Flachs mit Aesculin-haltigen Extrakten der Rosskastanie versetzte und damit eine optische Aufhellung erzielte.[8]

In Diskotheken wird oft sogenanntes Schwarzlicht (UV-Licht, UV-A) benutzt, um fluoreszierende Farben, chininhaltige Getränke oder optische Aufheller in Kleidung zum Leuchten zu bringen. Bekannt sind auch Tafeln, die mit fluoreszierender Kreide beschrieben werden können. Sie können von außen oder auch von innen (Flutlicht) durch das transparente Tafelmaterial mit Ultraviolett beleuchtet sein.

Tagesleuchtfarbe fluoresziert bereits durch die Anregung mit dem Blauanteil des Tageslichtes. Da dieser bei schlechtem Wetter und in der Dämmerung besonders hoch ist, wird eine bessere Sichtbarkeit erreicht. Tagesleuchtfarbe gibt es auch in wasserlöslicher Form.

Beleuchtung

In Leuchtstofflampen wird ultraviolettes Licht, das durch Gasentladung in der mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre erzeugt wird, in sichtbares Licht umgewandelt. In weißen Leuchtdioden (LED) wandeln Fluoreszenzfarbstoffe, die diesen Leuchtstoffen ähnlich sind, das monochromatische blaue Licht, das ein Halbleiterkristall erzeugt, in polychromatisches weißes Licht um.

Technische Fluorophore bestehen aus Stoffen wie dem sehr häufig benutzten Zinksulfid und chemisch ähnlichen Verbindungen oder Oxiden der Selten-Erd-Metalle. Werden diese Verbindungen mit sogenannten Aktivatoren dotiert, lassen sich verschiedene Farben erzeugen. Als Aktivatoren werden häufig zwei- und dreiwertige Lanthanoid-Kationen verwendet. Zweiwertige Europium-Kationen erzeugen beispielsweise blaues Licht, während die dreiwertigen rotes Licht emittieren. Grünes Licht entsteht beispielsweise durch Cu+- und Al3+-dotiertes Zinksulfid.

Durch geeignete Komposition (Mischung) der Leuchtstoffe lässt sich ein großes Spektrum an nutzbaren Lichtwellenlängen und Farbtemperaturen realisieren, wodurch das Leuchtmittel an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. In Leuchtstofflampen wird z. B. in Abhängigkeit vom verwendeten Leuchtgas das Spektrum des Sonnenlichtes (kaltweiß) oder das einer Glühlampe nachgeahmt.

Auch Tritiumgaslichtquellen nutzen die Fluoreszenz eines Leuchtstoffes, der durch die Betastrahlung des Tritium angeregt wird.

Anzeigen, Displays und Bildschirme

Bei Anzeigen, Displays und Bildschirmen wird oft die Anregung der Fluoreszenzfarbstoffe durch Elektronenbeschuss genutzt (Kathodenstrahlröhren). Beispiele sind Vakuum-Fluoreszenzdisplays (Digitron), Kathodenstrahlröhrenbildschirme (englisch Cathode Ray Tube – CRT) und Abstimmanzeigeröhren (Magisches Auge).

Diesen gemeinsam ist die Freisetzung von Elektronen durch Glühemission im Vakuum und deren Beschleunigung auf eine Leuchtstoffschicht durch eine elektrische Spannung. Die zu Demonstrationszwecken dienende Schattenkreuzröhre sowie Feldemissionsmikroskope besitzen dagegen kalte Kathoden, und Bildwandlerröhren beschleunigen die auf einer Photokathode erzeugten Elektronen und erzeugen auf einem kleinen Fluoreszenzschirm ein Abbild.

Anwendung in Biochemie und Medizin

An große Biomoleküle können durch eine Fluoreszenzmarkierung fluoreszierende chemische Gruppen angehängt werden, die dann als sehr sensibler Marker für dieses Molekül dienen.

Anwendungsbeispiele sind:

  • Da Häme in Lebewesen aus Porphyrinen synthetisiert werden, die bei geeigneter Anregung fluoreszieren, sind mittels hochleistungsfähiger chromatographischer Verfahren (HPLC) quantitative Messungen in Blut-, Stuhl- und Urinproben möglich und somit Aussagen über Stoffwechselprozesse bei der Häm-Biosynthese.
  • Chlorophyll dient bei der Photosynthese in Organismen zur Umwandlung von Photonen in chemische Energie. Über die Analyse der Chlorophyllfluoreszenz kann man Aussagen zum Zustand des Photosystem II machen und im Rahmen des Umweltschutzes z. B. den Schädigungsgrad von Wäldern untersuchen.
  • Die Fluoreszenzdiagnostik (FD) nutzt Protoporphyrin IX (PpIX), das sich selektiv in oder an Tumorzellen anreichert. Die Fluoreszenz von PpIX kann dann in der Dermatologie und Urologie zur Lokalisierung von Tumoren benutzt werden.

In der Forensik werden auch die Eigenschaften von Proteinen und ihre fluoreszierende Wirkung auf bestimmte Wellenlängen des Lichts herangezogen, um Blut, Speichel, Urin oder Sperma erkennen zu können. Da diese Stoffe im Tageslicht für das Auge nicht immer zu erkennen sind, werden Leuchten mit speziellen Filtern ausgestattet, um je nach Körperflüssigkeit spezifische Proteine zum Leuchten zu bringen. Zur besseren Erkennung der fluoreszierenden Proteinspuren wird eine Brille mit einem Breitbandfilter verwendet, die die störende Untergrundfluoreszenz und Streustrahlung ausblendet.[10]

In der Obstwirtschaft können Schimmelpilze unter UV-Licht erkannt werden.

Bildende Kunst

Die Verwendung fluoreszierender Farben stellt ein Stilmerkmal in der psychedelischen Kunst und in der zeitgenössischen Lichtkunst dar.

Siehe auch


Weblinks


WiktionaryWiktionary: Fluoreszenz – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Literatur


Einzelnachweise


  1. G. G. Stokes: On the change of refrangibility of light. In: Phil. Trans. 142, 1852, S. 463–562.
  2. David F. Gruber, Ellis R. Loew, Dimitri D. Deheyn, Derya Akkaynak, Jean P. Gaffney, W. Leo Smith, Matthew P. Davis, Jennifer H. Stern, Vincent A. Pieribone, John S. Sparks: Biofluorescence in catsharks (Scyliorhinidae): Fundamental description and relevance for Elasmobranch visual ecology. In: Sci. Rep. Band 6, 2016, S. 24751, doi:10.1038/srep24751.
  3. TV-Beitrag auf ServusTV am 25. Mai 2016.
  4. Nico K. Michiels u. a.: Red fluorescence in reef fish: A novel signalling mechanism? 2008, abgerufen am 14. März 2011 (englisch).
  5. P. Chakrabarty, M. P. Davis, Wm. L. Smith, R. Berquist, K. M. Gledhill, L. R. Frank, J. S. Sparks: Evolution of the light organ system in ponyfishes (Teleostei: Leiognathidae). In: J. Morphol. 272, 2011, S. 704–721. doi:10.1002/jmor.10941
  6. J. C. Poggendorf (Hrsg.): Annalen der Physik. Band 4, Verlag J. A. Barth, Leipzig 1854, S. 313.
  7. H. J. Meyer (Hrsg.): Neues Konversations-Lexikon – Ein Wörterbuch des allgemeinen Wissens. Band 6, Verlag Bibliographisches Institut, Hildburghausen 1863, S. 936.
  8. Optische Aufheller: Geschichtliches und Stoffgruppen. D. Weiß Online, Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena.
  9. Ilya A. Osterman, Alexey V. Ustinov, Denis V. Evdokimov, Vladimir A. Korshun, Petr V. Sergiev, Marina V. Serebryakova, Irina A. Demina, Maria A. Galyamina, Vadim M. Govorun, Olga A. Dontsova: A nascent proteome study combining click chemistry with 2DE. In: Proteomics. Band 13, Nr. 1, Januar 2013, S. 17–21, doi:10.1002/pmic.201200393 , PMID 23161590 (cyandye.com [PDF]). A nascent proteome study combining click chemistry with 2DE (Memento des Originals vom 30. Juni 2015 im Internet Archive) i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  10. Mark Patrick Vogel: Nachweis forensisch relevanter Spuren mit Hilfe der Lichtquelle Superlite 400. Dissertation. Ludwig-Maximilians-Universität, München 2008.



Kategorien: Spektroskopie | Optik


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