Fluoreszenz
Fluoreszenz ist ein optisches Phänomen, bei dem ein Atom oder Molekül ein Photon absorbiert und später ein Photon mit niedrigerer Energie (d.h. größerer Wellenlänge) emittiert. Die Energiedifferenz der Photonen wird in Wärme umgewandelt.
Das Phänomen ist eine besondere Art der Lumineszenz (kaltes Leuchten) und wurde nach dem fluoreszierenden Mineral Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF2) benannt.
Im Unterschied zur Fluoreszenz folgt bei der Phosphoreszenz die Emission nicht unmittelbar auf die Absorption, d.h. innerhalb von 10-8 sec, sondern erst nach Millisekunden, Stunden oder gar Tagen.
Gemäß der Stokesschen Regel muss die Wellenlänge des emittierten Photons mindestens gleich oder größer sein als die des absorbierten Photons. Bei exakt gleichen Wellenlängen spricht man auch von Resonanzfluoreszenz.
Eine Ausnahme der Stokesschen Regel stellt die Zwei-Photonen-Fluoreszenz dar. Hier kann die Wellenlänge des emittierten Photons kleiner sein, als die der beiden absorbierten Photonen, solange das den Energieerhaltungssatz nicht verletzt. Normalerweise stellt die halbe Wellenlänge der beiden absorbierten Photonen die Untergrenze für die Wellenlänge des emittierten Photons dar.
Anwendungsgebiete
Es gibt viele natürliche und synthetische Verbindungen, die Fluoreszenz zeigen, und sie haben eine Reihe von Anwendungen:
Aufhellung
Durch die Absorption (unsichtbaren) Ultravioletten Lichts und die Aussendung sichtbaren Lichts lässt sich eine Aufhellung erzielen:
Beleuchtung
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 und Oxiden von Elementen der seltenen Erden. Werden Leuchtstoffe mit solchen Elementen aktiviert, lassen sich verschiedene Farben erzeugen. So färbt z.B. Europium das Licht rot und Gadolinium färbt es grün.
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 (warmweiß) nachgebildet. Es werden auch monochromatische Farben (rot, grün, blau, ...) und Mischfarben (violett, pink, ...) realisiert.
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.
- 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.
- FACS (Fluorescent activated cell sorter oder Durchflusscytometrie)
- FISH (Fluorescence in situ hybridization) Chromosomanalyse
Mineralogie, Gemmologie (Edelsteinkunde) und Forensik
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.
Fluoreszierende Farbstoffe
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)