VioletteFluorit-Zwillingskristalle (oben) unter kurzwelligemUV-Licht (unten)Fluoreszierende Organismen, aufgenommen vorLittle Cayman
Fluoreszenz (fluorɛsˈt͜sɛnt͜s) ist diespontane Emission vonLicht kurz nach der Anregung eines Materials durch Licht. Dabei sind die emittiertenPhotonen in der Regel energieärmer als die vorher absorbierten.Physikalische Systeme, bei denen Fluoreszenz auftritt, heißenFluorophore. Fluoreszente Stoffe, die für Färbungen verwendet werden, werdenFluorochrome oderFluoreszenzfarbstoffe genannt. Ist das anregbare Material Teil eines Organismus, spricht man auch vonBiofluoreszenz (in Analogie zuBiolumineszenz). Ist ein Gegenstand von selbst fluoreszent, also ohne dass er angefärbt werden muss, spricht man vonAutofluoreszenz oderEigenfluoreszenz.
Im Gegensatz zurPhosphoreszenz erfolgen bei der Fluoreszenzerlaubte Übergänge zwischen zwei elektronischen Zuständen. Die angeregten Zustände haben daher eine kurze Lebensdauer und die Fluoreszenz klingt nach kurzer Zeit ab.
Bereits im 19. Jahrhundert wurde über die Fluoreszenz desAesculins bzw. sonnenlichtbestrahlter, wässriger Auszüge vonRosskastanienrinde berichtet.[1][2] Diesen Effekt untersuchte der deutsche ChemikerPaul Krais (1866–1939), indem er Wolle und Flachs mit Aesculin-haltigen Extrakten der Rosskastanie versetzte und damit eine optische Aufhellung erzielte.[3]
Der Begriff Fluoreszenz (im Original „fluorescence“) wurde 1852 vonGeorge Gabriel Stokes eingeführt.[4] Das Wort leitet sich vom manchmal fluoreszierenden MineralFluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF2) ab.
Fluoreszenz ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Ende der Bestrahlung rasch (meist innerhalb einer Millionstelsekunde) endet. Bei der Phosphoreszenz hingegen kommt es zu einem Nachleuchten, das von Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern kann.
Wird der Fluorophor optisch, also durch die Absorption einesPhotons, angeregt unddesaktiviert anschließend unter Aussenden von Licht, so spricht man vonPhotolumineszenz.
Der angeregte Fluorophor verweilt nach der Absorption eine bestimmte Zeit im angeregten Zustand. Diese Zeit wird im Allgemeinen alsLebensdauer oder im Speziellen auch alsFluoreszenzlebensdauer 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 keineSpinumkehr 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 wirdStokessche Regel genannt. Der Effekt beruht darauf, dass bei der elektronischen Anregung zunächst höhere Schwingungszustände des elektronisch angeregten Zustands besetzt werden, die ihre Schwingungsenergie dann durchSchwingungsrelaxation 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. 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 vonResonanzfluoreszenz.
NichtstrahlendeDesaktivierungsprozesse können durch Gegenwart bestimmter Stoffe, sogenannterQuencher, gefördert werden.Das Phänomen, dass diese Konkurrenzprozesse die Fluoreszenz vermindern, wird alsFluoreszenzlöschung (quenching) bezeichnet.Ein wichtiger Quencher, besonders für die Fluoreszenz organischer Fluorophore, ist molekularerSauerstoff (O2).Hierauf beruhen Verfahren zur Bestimmung derMassenkonzentration von Sauerstoff in derSensorik (Sauerstoffsensor), z. B. zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration in derLuft.Die Abhängigkeit der Fluoreszenzquantenausbeute von der Konzentration eines Quenchers wird oft durch dieStern-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 tieferliegendenTriplettzustand (Ausnahme: z. B. molekularerSauerstoff) ändern. Von hier aus sind wiederum verschiedene Desaktivierungskanäle offen, wobei der strahlende, d. h. Licht emittierende, alsPhosphoreszenz bezeichnet wird.
HochenergetischeKosmische 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 dasPolarlicht, bei dem die Anregung der Luftmoleküle in erster Linie durch die Teilchen desSonnenwindes erfolgt, und die Strahlung des leuchtendenKometenschweifs, bei dem infolge der Wechselwirkung mit dem Sonnenwind Moleküle Licht ausstrahlen.
Mineralien,Schmucksteine,Fasern und viele andereMaterialien, die an Sammlerstücken und Antiquitäten untersucht werden, haben unterschiedliche Fluoreszenzeigenschaften, wenn sie mit kurz- oder langwelligemUV-Licht oder mitRöntgenstrahlen bestrahlt werden, und können dadurch identifiziert werden.
Auch in der Paläontologie nutzt man Fluoreszenz zum Auffinden und zur Untersuchung zahlreicher Fossilien.
Biofluoreszenz, Fluoreszenz von Organismen, ist bekannt beiKatzenhaien.[5] Es gibt aktuelle Filmaufnahmen, die Biofluoreszenz (verteilt über den ganzen Körper) zeigen,[6] nachweisbar nur mit speziellem Licht. Fische, insbesondere kleine, bodengebundene Meeresfische sowie diverseKorallenfische 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.[7]John S. Sparks widmete sich u. a. der Erforschung der Biolumineszenz bei Meeresfischen.[8]
DieCuticula derSkorpione 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.
Haubenfedern vonCacatua sulphurea citrinocristata (2 linke Federn) und Cacatua sulphurea (3 rechte Federn) unter UV-Licht
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. DasSehvermögen von Vögeln, die ofttetrachromatischeAugen 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.
Der Begriff derFluoreszenzspektroskopie 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.
Durch die Absorption (unsichtbaren)ultravioletten und blauen Lichts und die Aussendung längerwelligen sichtbaren Lichts lässt sich eine Aufhellung erzielen:
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.
Fluoreszierende Stempeltinte bei Raumbeleuchtung und bei Schwarzlicht
Fluoreszierende Tinte oder Stempeltinte, die bei Raumbeleuchtung nicht sichtbar ist und nur bei Schwarzlicht erkennbar wird.
In Diskotheken wird oft sogenanntesSchwarzlicht (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.
Fluoreszierende Kunststoffplatte bei Raumbeleuchtung und bei SchwarzlichtFluoreszenzlicht in Plexiglas
Zur Gartendekoration gibt es durchsichtige, schwach eingefärbteKunststoffscheiben, die bei Tageslicht und danach aus dem Rand kräftig leuchten und aus der Fläche nur schwach. Der Anteil des Fluoreszenzlichts, der in einem flacheren Winkel zu den Oberflächen als demTotalreflexions-Winkel emittiert wird, kann die Platte nur an den Rändern verlassen, die so alsLichtleiter wirkt. Bei einem maximalen Brechungswinkel von 42° für Plexiglas und Luft bleibt rund 74 % des Fluoreszenzlichts in der Platte. Dieser Effekt wird auch bei denFluoreszenz-Solarzellen genutzt.
In Leuchtstofflampen wird ultraviolettes Licht, das durchGasentladung in der mitQuecksilberdampf gefüllten Röhre erzeugt wird, in sichtbares Licht umgewandelt. In weißenLeuchtdioden (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 benutztenZinksulfid und chemisch ähnlichen Verbindungen oderOxiden derSelten-Erd-Metalle. Werden diese Verbindungen mit sogenannten Aktivatorendotiert, lassen sich verschiedene Farben erzeugen. Als Aktivatoren werden häufig zwei- und dreiwertigeLanthanoid-Kationen verwendet. ZweiwertigeEuropium-Kationen erzeugen beispielsweise blaues Licht, während die dreiwertigen rotes Lichtemittieren. Grünes Licht entsteht beispielsweise durchCu+- undAl3+-dotiertes Zinksulfid.
Durch geeignete Komposition (Mischung) der Leuchtstoffe lässt sich ein großesSpektrum an nutzbaren Lichtwellenlängen undFarbtemperaturen realisieren, wodurch das Leuchtmittel an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. In Leuchtstofflampen wird z. B. in Abhängigkeit vom verwendeten Leuchtgas das Spektrum desSonnenlichtes (kaltweiß) oder das einerGlühlampe nachgeahmt.
An große Biomoleküle können durch eineFluoreszenzmarkierung fluoreszierende chemische Gruppen angehängt werden, die dann als sehr sensibler Marker für dieses Molekül dienen.
Bei der automatischen Sequenzierung derDNA mit derSanger-Methode hat jede der vier terminierendenNukleinbasen 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 VerbindungEthidiumbromid zeigt kaum Fluoreszenz, wenn sie in einerLösung ihreKonformation 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 derAgarose-Gelelektrophorese.
In derImmunologie werdenAntikörper mit einer fluoreszierenden chemischen Gruppe versehen. Moleküle, an die diese Antikörper spezifisch binden, sind anhand der Fluoreszenz erkennbar und können somit – z. B. in einerZelle – präzise lokalisiert werden. Die Konzentration dieser Moleküle (Antigen-Konzentration) kann damit sogar quantitativ bestimmt werden (sieheImmunhistochemie).
DaHäme 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 derPhotosynthese in Organismen zur Umwandlung von Photonen in chemische Energie. Über die Analyse der Chlorophyllfluoreszenz kann man Aussagen zum Zustand desPhotosystem II machen und im Rahmen desUmweltschutzes z. B. den Schädigungsgrad von Wäldern untersuchen.
DieFluoreszenzdiagnostik (FD) nutzt Protoporphyrin IX (PpIX), das sich selektiv in oder an Tumorzellen anreichert. Die Fluoreszenz von PpIX kann dann in derDermatologie undUrologie zur Lokalisierung von Tumoren benutzt werden.
Die abstandsabhängige Aktivierung eines fluoreszierenden Akzeptors nach Anregung eines benachbarten Donors durchFRET (Förster resonance energy transfer) wird in der Biochemie und derZellbiologie zu Abstandsmessungen im Nanometerbereich genutzt, sowie zur Untersuchung vonProteinfaltungen.
Markierung von Proteinen für die differentiellen 2D-PAGE (2D-DIGE)[9]
TRFIA = time-resolved fluoroimmunoassay.Eu3+-Ionen fluoreszieren in Wasser nur kurz. Deshalb verwendet manChelatbildner, die um die Eu3+-Ionen herum einehydrophobe Umgebung aufbauen. Das führt zu einer längeren Dauer der Fluoreszenz. Dadurch wird eine Unterscheidung von allen anderen, kurzlebigeren Fluoreszenzen möglich, die in organischen Gemischen vorkommen können.
In derForensik werden auch die Eigenschaften vonProteinen und ihre fluoreszierende Wirkung auf bestimmteWellenlängen des Lichts herangezogen, umBlut,Speichel,Urin oderSperma erkennen zu können. Da diese Stoffe imTageslicht für dasAuge nicht immer zu erkennen sind, werden Leuchten mit speziellenFiltern ausgestattet, um je nachKörperflüssigkeit spezifische Proteine zum Leuchten zu bringen. Zur besseren Erkennung der fluoreszierenden Proteinspuren wird eine Brille mit einem Breitbandfilter verwendet, die die störende Untergrundfluoreszenz undStreustrahlung ausblendet.[10]
↑J. C. Poggendorf (Hrsg.):Annalen der Physik. Band 4, Verlag J. A. Barth, Leipzig 1854, S. 313.
↑H. J. Meyer (Hrsg.):Neues Konversations-Lexikon – Ein Wörterbuch des allgemeinen Wissens. Band 6, Verlag Bibliographisches Institut, Hildburghausen 1863, S. 936.
↑G. G. Stokes:On the change of refrangibility of light. In:Phil. Trans. 142, 1852, S. 463–562.
↑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.
↑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
