Chemie Grundlagen

Fluoreszenz

Die Fluoreszenz ist nicht nur ein Phänomen, das schön anzusehen ist, sondern es erlaubt auch eine Vielzahl technischer Anwendungen. Hier erfährst du das Wichtigste zur Fluoreszenz.

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Inhaltsübersicht

Fluoreszenz einfach erklärt

Trifft elektromagnetische Strahlung auf eine Substanz, dann kann diese Substanz die Strahlung absorbieren. Man sagt auch, dass die Substanz optisch angeregt wurde. Eine mögliche Reaktion des Materials auf diese Anregung ist dann wiederum die Aussendung von elektromagnetischer Strahlung, also Licht. 

Merke

Die Fluoreszenz beschreibt die spontane Emission von Licht, als eine Reaktion auf die Anregung durch Licht.

Objekte, bei denen Fluoreszenz auftritt, werden Fluorophore genannt. Die Fluoreszenz gehört zur Photolumineszenz, da die Anregung durch Photonen stattfindet.

% Abbildung 2 aus Videoskript einfügen

Fluoreszenz Prinzip

In diesem Abschnitt schauen wir uns die Physik hinter der Fluoreszenz genauer ein und behandeln wichtige Eigenschaften der Fluoreszenzstrahlung. Darauffolgend gehen wir auf die Stokes-Verschiebung näher ein.

Physikalische Erklärung

Damit es zur Fluoreszenz kommen kann, muss eine Substanz optisch angeregt werden. Bei der optischen Anregung wechselt die Substanz von einem Zustand niedrigerer Energie zu einem Zustand höherer Energie. Allgemein üblich in der Physik wird der Zustand niedrigerer Energie bevorzugt, weswegen die Substanz nach einer bestimmten Zeit zurück in diesen Zustand übergeht. Dieser Übergang kann, muss aber nicht, unter Aussendung von Photonen stattfinden. Findet ein solcher strahlender Übergang sehr rasch statt (in etwa 10^{-8} Sekunden), dann ist die Rede von Fluoreszenz.

Wie aber kann eine Substanz optisch angeregt werden? Je nach Substanz brauchst du hiefür elektromagnetische Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen . Das liegt daran, dass die Substanz nur dann elektromagnetische Strahlung absorbieren kann, wenn die Energie der Strahlung mindestens so groß wie die Energiedifferenz zwischen Grundzustand und einem weiteren Energieniveau ist.

Die Fluoreszenz hat ein paar sehr wichtige Eigenschaften. Zunächst besitzt sie die Eigenschaft, dass die Strahlung richtungsunabhängig (isotrop) ist, das heißt in allen Richtungen wird eine gleich hohe Intensität abgestrahlt. Weiterhin ist das Energieniveau, von dem der Rückgang in den Grundzustand stattfindet, immer der niedrigste angeregte Zustand, unabhängig von der Wellenlänge des anregenden Lichtes. Diese Beobachtung ist unter den Namen Kasha-Regel bekannt.

Stokes-Verschiebung

Die emittierte Floureszenzstrahlung besitzt in den meisten Fällen eine längere Wellenlänge als die der Anregungsstrahlung. Eine längere Wellenlänge geht einher mit einer niedrigeren Energie der Strahlung. Dieses Phänomen heißt Stokes-Verschiebung (auch Stokessche Regel). Für diese Eigenschaft gibt es verschiedene Ursachen. 

Eine mögliche Ursache ist die Tatsache, dass sowohl der Grundzustand als auch der angeregte Zustand nicht nur aus einen bestimmten Energieniveau bestehen, sondern sich dieser in mehreren sogenannten Vibrationszuständen aufteilt. Bei der optischen Anregung können die Elektronen in einen Vibrationszustand des angeregten Zustands übergehen. Durch schnelles strahlungsloses Abklingen wechseln die angeregten Elektronen in den niedrigsten Vibrationszustand des angeregten Zustands, wodurch die Energie der Strahlung beim strahlenden Übergang in den Grundzustand gegenüber der Anregungsenergie reduziert wird. Weiterhin tendieren die Elektronen in den höchsten Vibrationszustand des Grundzustandes überzugehen, was die Energie der dabei ausgesandten Strahlung ebenfalls reduziert. 

% Abbildung 4 aus dem Videoskript einfügen

Da die Energie elektromagnetischer Strahlung indirekt proportional zu ihrer Wellenlänge ist, spricht man auch davon, dass die emittierte Strahlung gegenüber dem Anregungslicht rotverschoben wird.

Eine weitere Ursache ist die Emission mehrerer Photonen beim Übergang in den Grundzustand. Bei der Fluoreszenz kann der Übergang in den Grundzustand in mehreren strahlenden Teilübergänge stattfinden, wenn sich zwischen Grundzustand und angeregten Zustand weitere Zustände befinden. Die emittierten Photonen haben somit eine niedrigere Energie als das zur optischen Anregung absorbierte Photon.

Fluoreszenz vs. Phosphoreszenz

Photolumineszenz kann in zwei Kategorien unterteilt werden, Fluoreszenz und Phosphoreszenz, abhängig davon, wie lange die Elektronen im angeregten Zustand verweilen. Diese Verweildauer heißt Fluoreszenzlebensdauer beziehungsweise Phosphoreszenzlebensdauer und beschreibt also, wie lange ein Elektron im angeregten Zustand bleibt, bevor es durch Aussendung eines Photons in den Grundzustand übergeht. 

Die Lebensdauer bei der Fluoreszenz beträgt wenige Nanosekunden (10^{-9} \ \mathsf{s}), während sie bei der Phosphoreszenz typischerweise zwischen Millisekunden (10^{-3} \ \mathsf{s}) bis zu Sekunden, manchmal sogar bis hin zu Stunden, liegt. 

Die Fluoreszenz erlischt daher fast gleichzeitig mit dem Ende der optischen Anregung. Die Phosphoreszenz hingegen kann von Sekunden bis Stunden nach dem Ende der Anregung andauern, was als Nachleuchten bezeichnet wird. 

Fluoreszenz in der Natur

In diesem Abschnitt schauen wir uns an, wo in der Natur Fluoreszenz auftritt. Dabei gehen wir auf das Vorkommen in der Kosmischen Strahlung, in bestimmten Mineralien und in der Biologie ein.

Kosmische Strahlung

Die Kosmische Strahlung erzeugt sogenannte Luftschauer. Eine Methode diese Luftschauer zu messen ist unter Ausnutzung der Fluoreszenz. Die Teilchen der Luftschauern wechselwirken mit den Stickstoffmolekülen der Atmosphäre und regen diese optisch an, wodurch es zur Fluoreszenz kommt. Da die erzeugte Fluoreszenz proportional zur in der Atmosphäre dissipierten Energie ist, können durch solche Messungen Rückschlüsse auf die kosmische Strahlung erhalten werden. 

Fluoreszenz in Mineralien

Fluoreszenz ist die Ursache dafür, dass bestimmte Mineralien im sichtbaren Bereich leuchten, wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt werden. Mineralien die ein solches Verhalten vorweisen, heißen fluoreszierende Mineralien. Diese fluoreszierenden Mineralien besitzen in ihrer Struktur Teilchen, sogenannte Aktivatoren, die auf ultraviolettes Licht mit einem Leuchten im sichtbaren Bereich reagieren. 

Je nach Mineral und Standort des Minerals ist die Farbe des emittierten Lichts unterschiedlich. Dadurch kann man nicht nur feststellen, um welches Mineral es sich handelt, sondern sogar aus welcher Gegend es stammt. Hast du zum Beispiel festgestellt, dass die Fluoreszenz von Kalkspat in deiner Gegend grün ist, dann kannst du dir sicher sein, dass ein anderes Stück Kalkspat ebenfalls eine grüne Fluoreszenz aufweisen wird. Wenn du hingegen ein unbekanntes Mineral aus deiner Gegend bekommst und seine Fluoreszenz grün ist, dann kannst du mit großer Sicherheit sagen, dass es sich dabei um Kalkspat handelt.

Fluoreszenz in der Biologie

Bei verschiedenen Lebewesen kann die Fluoreszenz auf natürlich Weise auftreten. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der Biofluoreszenz. Zu diesen Lebewesen zählen beispielsweise Katzenhaie, Skorpione, Schildkröten, Fische, Papageien und bestimmte Amphibien wie etwa Frösche.

Fluoreszenz Anwendung

In diesem Abschnitt stellen wir dir einige fluoreszierende Stoffe und verschiedene technische Anwendungen vor.

Fluoreszierende Stoffe

Zu den fluoreszierenden Stoffen gehören beispielsweise

  • Allophycocyanin
  • Berberin
  • Brilliant Sulfaflavin
  • Chinin
  • Cumarine, z. B. 4-Methylumbelliferon
  • DAPI
  • 1,3,2-Dioxaborine 
  • Epicocconon
  • Fluoresceine 
  • Fluoreszierende Proteine 
  • IAEDANS
  • Indocyaningrün
  • Natriumdiuranat
  • Nilblau / Nilrot
  • Porphyrine (Häme, Chlorophylle usw.)
  • Quadraine (Quadratsäurefarbstoffe) auf Basis von N,N-Dialkylanilinen
  • Rhodamine
  • Stilbene
  • Synthetische Fluoreszenzlabel bzw. -marker wie z. B. ATTO-Dyes (ATTO-TEC GmbH, Siegen), Alexa-Fluor (Molecular Probes, Invitrogen Corp.) und Cyanine (Cy3, Cy5 usw.)
  • TMRM+

Fluoreszenzspektroskopie

Die Fluoreszenzspektroskopie gehört zu den Fluoreszenztechniken. Fluoreszenztechniken sind Methoden, die das Phänomen der Fluoreszenz ausnutzen, um Proben zu untersuchen und zu analysieren. Sie gehören zu eine der am häufigsten verwendeten Techniken in der Material- und Biowissenschaft. Sie bieten eine hohe Sensitivität, einen nichtinvasiven Charakter und eignen sich zur gleichzeitigen Messung mehrerer Proben sowie zum Remote Sensing (dt. Fernerkundung). Allerdings besitzen alle Fluoreszenztechniken das Problem der Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Messgeräten, Laboren und Zeiten, was auf bauteilspezifische Effekte (Alterung, unterschiedliche Wellenlängenabhängigkeit der Optiken, etc.) zurückzuführen ist. Die Beseitigung dieses Problems erfordert eine zuverlässige Charakterisierung der Bauteile und eine Leistungsvalidierung, was durch Fluoreszenzstandards erreicht werden kann.

Leuchtstofflampen

Leuchtstofflampen arbeiten in einem zweiteiligen Prozess. Innerhalb der Röhre befinden sich Gasatome. Durch Anlegen einer Spannung werden innerhalb dieser Röhre Elektronen beschleunigt, welche auf die Gasatome treffen und diese anregen. Beim Übergang in den Grundzustand emittieren die Gasatome Photonen im UV-Bereich. Diese ultravioletten Photonen treffen auf eine fluoreszierende Beschichtung im Inneren des Rohrs. Das zur Beleuchtung verwendete Licht ist dann die vom fluoreszierenden Material der Beschichtung ausgesendete Strahlung im sichtbaren Bereich.


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