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.

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.

Der Name "Fluoreszenz" ist von dem fluoreszierenden Mineral Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF₂) abgeleitet.

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.

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.
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) Chromosomanalyse
Beobachtung einzelner Moleküle mittels Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie

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

Uranin

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)