Fluoreszenz

Fluoreszenz ist der Übergang eines elektronisch angeregten Systems in einen Zustand niedrigerer Energie durch spontane Emission von Licht. Im Gegensatz zur Phosphoreszenz sind Fluoreszenzübergänge spinerlaubt, d. h. sie gehorchen der Auswahlregel $\Delta S = 0$ , erfolgen also zwischen Zuständen gleichen Spins. Typische Fluorophore, also physikalische Systeme, bei denen Fluoreszenz auftritt, sind Atome, Moleküle, Ionen und Halbleiternanopartikel. Fluorit_uv_hg.jpg Der Name Fluoreszenz ist von dem fluoreszierenden Mineral Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF₂) abgeleitet. (Auch der Name des Elementes Fluor stammt von diesem Mineral.)

Fluoreszenz wird meist optisch angeregt, also indem der Fluorophor mit einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet wird (Photolumineszenz). Der Fluorophor wird dann durch Absorption eines Photons elektronisch angeregt und emittiert die Anregungsenergie zeitversetzt in Form eines anderen Photons.

Energieerhaltung bewirkt, dass das emittierte Photon die gleiche oder eine niedrigere Energie haben muss als das absorbierte Photon. Daraus ergibt sich unmittelbar die Stokessche Regel, dass das Fluoreszenzlicht eine Wellenlänge haben muss, die mindestens ebenso groß ist wie die des Anregungslichtes. Bei exakt gleichen Wellenlängen spricht man von Resonanzfluoreszenz, sind die Wellenlängen nicht gleich, so bezeichnet man ihre Differenz als Stokesverschiebung.

Die mittlere Zeit, die ein Fluorophor im angeregten Zustand verbleibt, ist seine Lebensdauer. Fluoreszenzlebensdauern liegen im Bereich um eine Nanosekunde und sind damit deutlich kürzer als die Lebensdauern von Zuständen, die nur durch spinverbotene Übergänge, also durch Phosphoreszenz, zerfallen können.

Oftmals gibt es neben dem strahlenden Kanal (Fluoreszenz) auch weitere nichtstrahlende Zerfallskanäle, das heißt das Fluorophor kann auch ohne Emission eines Photons in den Grundzustand zurückkehren. Die Wahrscheinlichkeit, mit der die Anregung eines Fluorophors tatsächlich zur Emission eines Fluoreszenzphotons führt, nennt man seine Quantenausbeute.

Nichtstrahlende Prozesse können durch Gegenwart bestimmter Stoffe, sogenannter Quencher gefördert werden. Das Phänomen, dass durch diese Konkurrenzprozesse die Fluoreszenz vermindert wird, wird als Fluoreszenzlöschung bezeichnet. Ein wichtiger Quencher, besonders für die Fluoreszenz organischer Fluorophore, ist Sauerstoff O₂. Hierauf beruhen Verfahren zur Bestimmung der Stoffkonzentration 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.

Anwendungsgebiete

Im Folgenden sollen einige Methoden und Anwendungsgebiete genannt werden:

Fluoreszenzspektroskopie

Der Begriff der Fluoreszenzspektroskopie stellt einen Sammelbegriff dar, der alle Methoden zusammenfasst, die die Fluoreszenzeigenschaften von Fluorophoren ausnutzen, um Informationen über die untersuchten Systeme zu gewinnen. Es gibt viele natürliche und synthetische Verbindungen, die Fluoreszenz zeigen. Siehe auch: Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie.

Aufhellung

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

Beleuchtung

Leuchtstofflampen-chtaube050409.jpgn]] In Leuchtstoffröhren wird ultraviolettes Licht, das durch Gasentladung in der mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre erzeugt wird, in sichtbares Licht umgewandelt. In weißen Leuchtdioden (LED) wandelt ein Fluoreszenzfarbstoff das blaue Licht, das ein Halbleiterkristall erzeugt, in weißes Licht um.

Technische Fluoreszenzfarbstoffe bestehen aus Stoffen wie Zinksulfid oder den Oxiden der Selten-Erd-Metalle. Werden diese Verbindungen mit so genannten Aktivatoren dotiert, lassen sich verschiedene Farben erzeugen. Als Aktivatoren werden häufig zwei- und dreiwertige Lanthnaoid-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 auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. In Leuchtstoffröhren wird z. B. das Spektrum des Sonnenlichtes (kaltweiß) oder das einer Glühlampe nachgeahmt.

Biochemie und Medizin

An große Biomoleküle kann durch eine chemische Reaktion eine fluoreszierende chemische Gruppe angehängt werden, die dann als sehr sensitiver Marker für dieses Molekül dient. Beispiele:

Bei der automatischen Sequenzierung der DNA mit der Sanger-Methode hat jede der vier terminierenden Basen eines DNA-Stückes ihren spezifischen fluoreszierenden Marker. Wenn die markierten DNA-Moleküle getrennt werden, werden die Marker durch UV-Licht angeregt, und die Identität der Marker wird anhand der Wellenlänge des emittierten Lichtes festgestellt.
Die Verbindung Ethidiumbromid zeigt kaum Fluoreszenz, wenn sie in einer Lösung ihre Konformation frei ändern kann. Durch Bindung an DNA wird die Fluoreszenz jedoch stark erhöht, was sie nützlich bei der Lokalisierung von DNA-Fragmenten macht, z. B. bei der Agarose-Gelelektrophorese.
Die Aminosäuren Tryptophan, Tyrosin und Phenylalanin fluoreszieren bei Anregung durch UV-Licht, wobei auch bei Proteinen und Peptiden, die diese Aminosäuren enthalten, Fluoreszenz beobachtet werden kann.
Auf dem DNA-Chip wird Fluoreszenz verwendet.
In der Immunologie werden Antikörper mit einer fluoreszierenden chemischen Gruppe versehen, so dass die Orte (z. B. eines mikroskopischen Objektes), an die die Antikörper binden, anhand der Fluoreszenz erkennbar sind. Die Antigen-Konzentration kann damit sogar quantitativ bestimmt werden.
Fluoreszierende Proteine wie das GFP (Green fluorescent protein) dienen als Marker für verschiedenste biologische Vorgänge innerhalb der Zellen wie zum Beispiel die Genexpression.
Die Aktivierung eines fluoreszierenden Akzeptors nach Fluoreszenzanregung eines benachbarten Donors durch Fluorescence resonance energy transfer (FRET) wird in der Biochemie und der Zellbiologie zu Abstandsmessungen im Nanometerbereich genutzt.
FACS (Fluorescent activated cell sorter oder Durchflusscytometrie)
FISH (Fluorescence in situ hybridization) Chromosomenanalyse
Beobachtung einzelner Moleküle mittels Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie

Mineralogie, Gemmologie (Edelsteinkunde) und Forensik

Fluorescent_minerals_hg.jpg | Mineralien, Edelsteine, Fasern und viele andere Materialien, die in der Forensik oder 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.

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, sodass diese Fluoreszenzlicht ausstrahlen. Durch Messungen dieses Lichtes lassen sich Rückschlüsse auf die primäre kosmische Strahlung gewinnen.

Fluoreszierende Farbstoffe

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siehe auch: Parametrische Fluoreszenz

Weblinks

Mineralienatlas - Fluoreszenz
Maßgeschneiderte Medikamente per Laser Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) an der Universität Bonn
Fluoreszenz
Fluorescence Microscopy Umfangreiches interaktives Tutorial (englisch)

Spektroskopie | Optischer Effekt

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