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Fluoreszenz

Fluoreszenz (fluorɛsˈt͜sɛnt͜s) ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Anregung eines Materials durch Licht. Dabei sind die emittierten Photonen in der Regel energieärmer als die vorher absorbierten. Physikalische Systeme, bei denen Fluoreszenz auftritt, heißen Fluorophore. Fluoreszente Stoffe, die für Färbungen verwendet werden, werden Fluorochrome oder Fluoreszenzfarbstoffe genannt. Ist das anregbare Material Teil eines Organismus, spricht man auch von Biofluoreszenz (in Analogie zu Biolumineszenz). Ist ein Gegenstand von selbst fluoreszent, also ohne dass er angefärbt werden muss, spricht man von Autofluoreszenz oder Eigenfluoreszenz.

Violette Fluorit-Zwillingskristalle (oben) unter kurzwelligem UV-Licht (unten)
Fluoreszierende Organismen, aufgenommen vor Little Cayman

Im Gegensatz zur Phosphoreszenz erfolgen bei der Fluoreszenz erlaubte Übergänge zwischen zwei elektronischen Zuständen. Die angeregten Zustände haben daher eine kurze Lebensdauer und die Fluoreszenz klingt nach kurzer Zeit ab.

Der Begriff Fluoreszenz (im Original „fluorescence“) wurde 1852 von George Gabriel Stokes eingeführt. Das Wort leitet sich vom manchmal fluoreszierenden Mineral Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF2) ab.

Inhaltsverzeichnis

Sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz sind Formen der Lumineszenz (kaltes Leuchten) und sind photophysikalische Prozesse.

Fluoreszenz ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Ende der Bestrahlung rasch (meist innerhalb einer Millionstel Sekunde) endet. Bei der Phosphoreszenz hingegen kommt es zu einem Nachleuchten, das von Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern kann.

Erklärung

Wird der Fluorophor optisch, also durch die Absorption eines Photons, angeregt und desaktiviert anschließend unter Aussenden von Licht, so spricht man von Photolumineszenz.

Der angeregte Fluorophor verweilt nach der Absorption eine bestimmte Zeit im angeregten Zustand. Diese Zeit wird im Allgemeinen als Lebensdauer oder im Speziellen auch als Fluoreszenzlebensdauer 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 keine Spinumkehr 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 wird Stokessche Regel genannt. Der Effekt beruht darauf, dass bei der elektronischen Anregung zunächst höhere Schwingungszustände des elektronisch angeregten Zustands besetzt werden, die ihre Schwingungsenergie dann durch Schwingungsrelaxation 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 von Resonanzfluoreszenz.

Desaktivierung

Nichtstrahlende Desaktivierungsprozesse können durch Gegenwart bestimmter Stoffe, sogenannter Quencher, gefördert werden. Das Phänomen, dass diese Konkurrenzprozesse die Fluoreszenz vermindern, wird als Fluoreszenzlöschung (quenching) bezeichnet. Ein wichtiger Quencher, besonders für die Fluoreszenz organischer Fluorophore, ist molekularer Sauerstoff (O2). Hierauf beruhen Verfahren zur Bestimmung der Massenkonzentration 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.

In einem alternativen, nichtstrahlenden Prozess kann der angeregte Zustand durch ein sog. intersystem crossing seine Multiplizität zum in der Regel energetisch tieferliegenden Triplettzustand (Ausnahme: z. B. molekularer Sauerstoff) ändern. Von hier aus sind wiederum verschiedene Desaktivierungskanäle offen, wobei der strahlende, d. h. Licht emittierende, als Phosphoreszenz bezeichnet wird.

Nilrot bei Tageslicht (obere Reihe) und UV-Licht (366 nm, untere Reihe) in verschiedenen Lösungsmitteln.
V. l. n. r.: 1. Wasser, 2. Methanol, 3. Ethanol, 4. Acetonitril, 5. Dimethylformamid, 6. Aceton, 7. Ethylacetat, 8. Dichlormethan, 9. n-Hexan, 10. tert-Butylmethylether, 11. Cyclohexan, 12. Toluol
weitere Farbstoffe: in der Kategorie Fluoreszenzfarbstoff

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, so dass diese Fluoreszenzlicht ausstrahlen. Durch Messungen dieses Lichtes lassen sich Rückschlüsse auf die primäre kosmische Strahlung gewinnen. Ähnliche Phänomene sind das Polarlicht, bei dem die Anregung der Luftmoleküle in erster Linie durch die Teilchen des Sonnenwindes erfolgt, und die Strahlung des leuchtenden Kometenschweifs, bei dem infolge der Wechselwirkung mit dem Sonnenwind Moleküle Licht ausstrahlen.

Mineralogie, Gemmologie (Edelsteinkunde)

Fluoreszierende Minerale

Mineralien, Schmucksteine, Fasern und viele andere Materialien, die 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.

Auch in der Paläontologie nutzt man Fluoreszenz zum Auffinden und zur Untersuchung zahlreicher Fossilien.

Biofluoreszenz

Euscorpius italicus unter UV-Licht

Biofluoreszenz, Fluoreszenz von Organismen, ist bekannt bei Katzenhaien. Es gibt aktuelle Filmaufnahmen, die Biofluoreszenz (verteilt über den ganzen Körper) zeigen, nachweisbar nur mit speziellem Licht. Fische, insbesondere kleine, bodengebundene Meeresfische sowie diverse Korallenfische 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. John S. Sparks widmete sich u. a. der Erforschung der Biolumineszenz bei Meeresfischen.

Die Cuticula der Skorpione 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 von Cacatua 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. Das Sehvermögen von Vögeln, die oft tetrachromatische Augen 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.

Im Folgenden sollen einige Methoden und Anwendungsgebiete genannt werden:

Fluoreszenzspektroskopie

Der Begriff der Fluoreszenzspektroskopie 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.

Siehe auch: Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie, Fluoreszenzpolarisation, Fluoreszenztomographie, Fluoreszenzmikroskopie.

Aufhellung und Dekoration

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

Bereits im 19. Jahrhundert wurde über die Fluoreszenz des Aesculins, bzw. sonnenlichtbestrahlter, wässriger Auszüge von Rosskastanienrinde berichtet. Diesen Effekt untersuchte der deutsche Chemiker Paul Krais (1866–1939), indem er Wolle und Flachs mit Aesculin-haltigen Extrakten der Rosskastanie versetzte und damit eine optische Aufhellung erzielte.

In Diskotheken wird oft sogenanntes Schwarzlicht (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.

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.

Beleuchtung

Beispiele für Leuchtstofflampen

In Leuchtstofflampen wird ultraviolettes Licht, das durch Gasentladung in der mit Quecksilberdampf gefüllten Röhre erzeugt wird, in sichtbares Licht umgewandelt. In weißen Leuchtdioden (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 benutzten Zinksulfid und chemisch ähnlichen Verbindungen oder Oxiden der Selten-Erd-Metalle. Werden diese Verbindungen mit sogenannten Aktivatoren dotiert, lassen sich verschiedene Farben erzeugen. Als Aktivatoren werden häufig zwei- und dreiwertige Lanthanoid-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 an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. In Leuchtstofflampen wird z. B. in Abhängigkeit vom verwendeten Leuchtgas das Spektrum des Sonnenlichtes (kaltweiß) oder das einer Glühlampe nachgeahmt.

Auch Tritiumgaslichtquellen nutzen die Fluoreszenz eines Leuchtstoffes, der durch die Betastrahlung des Tritium angeregt wird.

Anzeigen, Displays und Bildschirme

Bei Anzeigen, Displays und Bildschirmen wird oft die Anregung der Fluoreszenzfarbstoffe durch Elektronenbeschuss genutzt (Kathodenstrahlröhren). Beispiele sind Vakuum-Fluoreszenzdisplays (Digitron), Kathodenstrahlröhrenbildschirme (englischCathode Ray Tube – CRT) und Abstimmanzeigeröhren (Magisches Auge).

Diesen gemeinsam ist die Freisetzung von Elektronen durch Glühemission im Vakuum und deren Beschleunigung auf eine Leuchtstoffschicht durch eine elektrische Spannung. Die zu Demonstrationszwecken dienende Schattenkreuzröhre sowie Feldemissionsmikroskope besitzen dagegen kalte Kathoden, und Bildwandlerröhren beschleunigen die auf einer Photokathode erzeugten Elektronen und erzeugen auf einem kleinen Fluoreszenzschirm ein Abbild.

Anwendung in Biochemie und Medizin

Mit Ethidiumbromid gefärbte DNA-Fragmente in einem Agarose-Gel

An große Biomoleküle können durch eine Fluoreszenzmarkierung fluoreszierende chemische Gruppen angehängt werden, die dann als sehr sensibler Marker für dieses Molekül dienen.

Immunfluoreszenz-Aufnahme im Spinalganglion der Ratte. Zwei verschiedene Proteine wurden mit rot oder grün fluoreszierenden Markern gefärbt.
Strandillustration mittels Bakterienkulturen, die verschiedene fluoreszierende Proteine exprimieren

Anwendungsbeispiele sind:

  • Bei der automatischen Sequenzierung der DNA mit der Sanger-Methode hat jede der vier terminierenden Nukleinbasen 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 DNA-Chips und Protein-Chips wird Fluoreszenz für die Detektion verwendet.
  • In der Immunologie werden Antikörper mit einer fluoreszierenden chemischen Gruppe versehen. Moleküle, an die diese Antikörper spezifisch binden, sind anhand der Fluoreszenz erkennbar und können somit – z. B. in einer Zelle – präzise lokalisiert werden. Die Konzentration dieser Moleküle (Antigen-Konzentration) kann damit sogar quantitativ bestimmt werden (siehe Immunhistochemie).
  • Die Fluoreszenz von Porphyrinen (Bestandteile bzw. Vorläuferstufen des Häm und Chlorophyll) kann zur Diagnostik von Stoffwechselerkrankungen der Häm-Bildung und die Chlorophyllfluoreszenz zur Bestimmung der Photosyntheseaktivität genutzt werden. Weiterhin dienen Porphyrine zur In-vivo-Diagnostik von epithelialen Tumoren und Präkanzerosen:
  • Da Häme 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 der Photosynthese in Organismen zur Umwandlung von Photonen in chemische Energie. Über die Analyse der Chlorophyllfluoreszenz kann man Aussagen zum Zustand des Photosystem II machen und im Rahmen des Umweltschutzes z. B. den Schädigungsgrad von Wäldern untersuchen.
  • Die Fluoreszenzdiagnostik (FD) nutzt Protoporphyrin IX (PpIX), das sich selektiv in oder an Tumorzellen anreichert. Die Fluoreszenz von PpIX kann dann in der Dermatologie und Urologie zur Lokalisierung von Tumoren benutzt werden.

In der Forensik werden auch die Eigenschaften von Proteinen und ihre fluoreszierende Wirkung auf bestimmte Wellenlängen des Lichts herangezogen, um Blut, Speichel, Urin oder Sperma erkennen zu können. Da diese Stoffe im Tageslicht für das Auge nicht immer zu erkennen sind, werden Leuchten mit speziellen Filtern ausgestattet, um je nach Körperflüssigkeit spezifische Proteine zum Leuchten zu bringen. Zur besseren Erkennung der fluoreszierenden Proteinspuren wird eine Brille mit einem Breitbandfilter verwendet, die die störende Untergrundfluoreszenz und Streustrahlung ausblendet.

In der Obstwirtschaft können Schimmelpilze unter UV-Licht erkannt werden.

Bildende Kunst

Die Verwendung fluoreszierender Farben stellt ein Stilmerkmal in der psychedelischen Kunst und in der zeitgenössischen Lichtkunst dar.

Wiktionary: Fluoreszenz – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  • Werner Lieber: Leuchtende Kristalle – Wissenswertes über Fluorszenz, Vetter Verlag, Wiesloch, 48 S., 1965 (pdf 15MB).
  • Werner Lieber: Die Fluoreszenz von Mineralen, 5. Sonderheft zur Zeitschrift „Der Aufschluss“, VFMG Heidelberg, 62 S., 1957, (pdf 20MB).
  1. G. G. Stokes: On the change of refrangibility of light. In: Phil. Trans. 142, 1852, S. 463–562.
  2. 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.
  3. TV-Beitrag auf ServusTV am 25. Mai 2016.
  4. Nico K. Michiels u. a.: Red fluorescence in reef fish: A novel signalling mechanism? 2008, abgerufen am 14. März 2011 (englisch).
  5. 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
  6. J. C. Poggendorf (Hrsg.): Annalen der Physik. Band 4, Verlag J. A. Barth, Leipzig 1854, S. 313.
  7. H. J. Meyer (Hrsg.): Neues Konversations-Lexikon – Ein Wörterbuch des allgemeinen Wissens. Band 6, Verlag Bibliographisches Institut, Hildburghausen 1863, S. 936.
  8. Optische Aufheller: Geschichtliches und Stoffgruppen. D. Weiß Online, Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena.
  9. Ilya A. Osterman, Alexey V. Ustinov, Denis V. Evdokimov, Vladimir A. Korshun, Petr V. Sergiev, Marina V. Serebryakova, Irina A. Demina, Maria A. Galyamina, Vadim M. Govorun, Olga A. Dontsova: A nascent proteome study combining click chemistry with 2DE. In: Proteomics.Band13,Nr.1, Januar 2013,S.17–21, doi:10.1002/pmic.201200393, PMID 23161590 (cyandye.com [PDF]). A nascent proteome study combining click chemistry with 2DE (Memento desOriginals vom 30. Juni 2015 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.cyandye.com
  10. Mark Patrick Vogel: Nachweis forensisch relevanter Spuren mit Hilfe der Lichtquelle Superlite 400. Dissertation. Ludwig-Maximilians-Universität, München 2008.
Normdaten (Sachbegriff): GND:4154818-8(OGND, AKS)

Fluoreszenz
fluoreszenz, spontane, emission, licht, unter, energetischer, anregung, fast, ohne, nachleuchten, sprache, beobachten, bearbeiten, fluorɛsˈt, sɛnt, spontane, emission, licht, kurz, nach, anregung, eines, materials, durch, licht, dabei, sind, emittierten, photo. Fluoreszenz spontane Emission von Licht unter energetischer Anregung fast ohne Nachleuchten Sprache Beobachten Bearbeiten Fluoreszenz fluorɛsˈt sɛnt s ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Anregung eines Materials durch Licht Dabei sind die emittierten Photonen in der Regel energiearmer als die vorher absorbierten Physikalische Systeme bei denen Fluoreszenz auftritt heissen Fluorophore Fluoreszente Stoffe die fur Farbungen verwendet werden werden Fluorochrome oder Fluoreszenzfarbstoffe genannt Ist das anregbare Material Teil eines Organismus spricht man auch von Biofluoreszenz in Analogie zu Biolumineszenz Ist ein Gegenstand von selbst fluoreszent also ohne dass er angefarbt werden muss spricht man von Autofluoreszenz oder Eigenfluoreszenz Violette Fluorit Zwillingskristalle oben unter kurzwelligem UV Licht unten Fluoreszierende Organismen aufgenommen vor Little Cayman Im Gegensatz zur Phosphoreszenz erfolgen bei der Fluoreszenz erlaubte Ubergange zwischen zwei elektronischen Zustanden Die angeregten Zustande haben daher eine kurze Lebensdauer und die Fluoreszenz klingt nach kurzer Zeit ab Der Begriff Fluoreszenz im Original fluorescence wurde 1852 von George Gabriel Stokes eingefuhrt 1 Das Wort leitet sich vom manchmal fluoreszierenden Mineral Fluorit Flussspat Calciumfluorid CaF2 ab Inhaltsverzeichnis 1 Phosphoreszenz und Fluoreszenz 1 1 Erklarung 1 2 Desaktivierung 2 Fluoreszierende Stoffe Auswahl 3 Vorkommen 3 1 Kosmische Strahlung 3 2 Mineralogie Gemmologie Edelsteinkunde 3 3 Biofluoreszenz 4 Anwendungsgebiete 4 1 Fluoreszenzspektroskopie 4 2 Aufhellung und Dekoration 4 3 Beleuchtung 4 4 Anzeigen Displays und Bildschirme 4 5 Anwendung in Biochemie und Medizin 4 6 Bildende Kunst 5 Siehe auch 6 Weblinks 7 Literatur 8 EinzelnachweisePhosphoreszenz und Fluoreszenz BearbeitenSowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz sind Formen der Lumineszenz kaltes Leuchten und sind photophysikalische Prozesse Fluoreszenz ist jedoch dadurch gekennzeichnet dass sie nach dem Ende der Bestrahlung rasch meist innerhalb einer Millionstel Sekunde endet Bei der Phosphoreszenz hingegen kommt es zu einem Nachleuchten das von Sekundenbruchteilen bis hin zu Stunden dauern kann Erklarung Bearbeiten Wird der Fluorophor optisch also durch die Absorption eines Photons angeregt und desaktiviert anschliessend unter Aussenden von Licht so spricht man von Photolumineszenz Der angeregte Fluorophor verweilt nach der Absorption eine bestimmte Zeit im angeregten Zustand Diese Zeit wird im Allgemeinen als Lebensdauer oder im Speziellen auch als Fluoreszenzlebensdauer bezeichnet Nach den Regeln der Quantenmechanik ist die Fluoreszenzlebensdauer kurz da die Lichtemission erlaubt ist und daher schnell erfolgt Hintergrund ist dass bei der Ruckkehr in den Grundzustand keine Spinumkehr erfolgen muss Die Aussendung von Fluoreszenzlicht konkurriert mit anderen photophysikalischen Prozessen Internal Conversion Intersystem Crossing welche die Fluoreszenz schwachen Die Wahrscheinlichkeit mit der die Anregung eines Fluorophors tatsachlich zur Emission eines Fluoreszenzphotons fuhrt nennt man Fluoreszenz Quantenausbeute Das abgegebene Fluoreszenzlicht ist in der Regel gegenuber dem Anregungslicht in den langwelligen Bereich des Lichtspektrums verschoben Dieser Effekt wird Stokessche Regel genannt Der Effekt beruht darauf dass bei der elektronischen Anregung zunachst hohere Schwingungszustande des elektronisch angeregten Zustands besetzt werden die ihre Schwingungsenergie dann durch Schwingungsrelaxation abgeben Ebenso werden bei der Emission aus dem Schwingungsgrundzustand des angeregten Zustands oftmals zunachst hohere Schwingungszustande des Grundzustands besetzt Im Allgemeinen wird daher zur Anregung mehr Energie aufgewendet kurzere Wellenlange als bei der Emission abgegeben wird langere Wellenlange Der Energieerhaltungssatz wird dabei nicht verletzt da die Differenzenergie an die Umgebung abgegeben wurde Im Grenzfall konnen naturlich Anregung und Emission jeweils zwischen den Schwingungsgrundzustanden von angeregtem und Grundzustand erfolgen In diesem Fall erfolgen Anregung und Emission mit der gleichen Wellenlange und man spricht von Resonanzfluoreszenz Desaktivierung Bearbeiten Nichtstrahlende Desaktivierungsprozesse konnen durch Gegenwart bestimmter Stoffe sogenannter Quencher gefordert werden Das Phanomen dass diese Konkurrenzprozesse die Fluoreszenz vermindern wird als Fluoreszenzloschung quenching bezeichnet Ein wichtiger Quencher besonders fur die Fluoreszenz organischer Fluorophore ist molekularer Sauerstoff O2 Hierauf beruhen Verfahren zur Bestimmung der Massenkonzentration von Sauerstoff in der Sensorik Sauerstoffsensor z B zur Uberwachung der Sauerstoffkonzentration in der Luft Die Abhangigkeit der Fluoreszenzquantenausbeute von der Konzentration eines Quenchers wird oft durch die Stern Volmer Gleichung gut beschrieben In einem alternativen nichtstrahlenden Prozess kann der angeregte Zustand durch ein sog intersystem crossing seine Multiplizitat zum in der Regel energetisch tieferliegenden Triplettzustand Ausnahme z B molekularer Sauerstoff andern Von hier aus sind wiederum verschiedene Desaktivierungskanale offen wobei der strahlende d h Licht emittierende als Phosphoreszenz bezeichnet wird Fluoreszierende Stoffe Auswahl Bearbeiten Nilrot bei Tageslicht obere Reihe und UV Licht 366 nm untere Reihe in verschiedenen Losungsmitteln V l n r 1 Wasser 2 Methanol 3 Ethanol 4 Acetonitril 5 Dimethylformamid 6 Aceton 7 Ethylacetat 8 Dichlormethan 9 n Hexan 10 tert Butylmethylether 11 Cyclohexan 12 Toluol Allophycocyanin Berberin Brilliant Sulfaflavin Chinin Cumarine z B 4 Methylumbelliferon DAPI 1 3 2 Dioxaborine Komplexe von Borsaurederivaten mit 1 3 Dicarbonylverbindungen Epicocconon Fluoresceine z B 5 Octadecanoylaminofluorescein 6 Carboxy 4 5 dichlor 2 7 dimethoxyfluorescein N succinimidylester Fluoreszierende Proteine GFP YFP RFP IAEDANS Indocyaningrun Natriumdiuranat Nilblau Nilrot Porphyrine Hame Chlorophylle usw Quadraine Quadratsaurefarbstoffe 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 weitere Farbstoffe in der Kategorie FluoreszenzfarbstoffVorkommen BearbeitenKosmische Strahlung Bearbeiten Hochenergetische Kosmische Strahlung lost in der Erdatmosphare Teilchenkaskaden sog ausgedehnte Luftschauer aus Die geladenen Teilchen dieser Schauer regen die Stickstoffmolekule der Luft an so dass diese Fluoreszenzlicht ausstrahlen Durch Messungen dieses Lichtes lassen sich Ruckschlusse auf die primare kosmische Strahlung gewinnen Ahnliche Phanomene sind das Polarlicht bei dem die Anregung der Luftmolekule in erster Linie durch die Teilchen des Sonnenwindes erfolgt und die Strahlung des leuchtenden Kometenschweifs bei dem infolge der Wechselwirkung mit dem Sonnenwind Molekule Licht ausstrahlen Mineralogie Gemmologie Edelsteinkunde Bearbeiten Fluoreszierende Minerale Mineralien Schmucksteine Fasern und viele andere Materialien die an Sammlerstucken und Antiquitaten untersucht werden haben unterschiedliche Fluoreszenzeigenschaften wenn sie mit kurz oder langwelligem UV Licht oder mit Rontgenstrahlen bestrahlt werden und konnen dadurch identifiziert werden Auch in der Palaontologie nutzt man Fluoreszenz zum Auffinden und zur Untersuchung zahlreicher Fossilien Biofluoreszenz Bearbeiten Euscorpius italicus unter UV Licht Biofluoreszenz Fluoreszenz von Organismen ist bekannt bei Katzenhaien 2 Es gibt aktuelle Filmaufnahmen die Biofluoreszenz verteilt uber den ganzen Korper zeigen 3 nachweisbar nur mit speziellem Licht Fische insbesondere kleine bodengebundene Meeresfische sowie diverse Korallenfische aus verschiedenen Familien v a Gobiidae Tripterygiidae Labridae und weitere haben rot fluoreszierende Muster als Teil der Korperfarbung oder rot fluoreszierende Augen Dies ist ein Trick um in tieferem Wasser in dem blau grunes Umgebungslicht dominiert dieses in ein auffalliges rotes Leuchten umzuwandeln Uber die genauen Mechanismen und Funktionen dieser Fluoreszenz ist noch wenig bekannt 4 John S Sparks widmete sich u a der Erforschung der Biolumineszenz bei Meeresfischen 5 Die Cuticula der Skorpione 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 konnen die Tiere daher bei Dunkelheit leicht entdeckt werden Haubenfedern von Cacatua sulphurea citrinocristata 2 linke Federn und Cacatua sulphurea 3 rechte Federn unter UV Licht Vogelfedern konnen ebenfalls Biofluoreszenz zeigen Einige Papageienvogel besitzen Federn die eine schwefelgelbe Fluoreszenz zeigen Im Normallicht sind diese Federn wenn sie nicht von anderen Pigmenten uberlagert werden blassgelb Das Sehvermogen von Vogeln die oft tetrachromatische Augen besitzen reicht bis in den UV Bereich Fluoreszenz bewirkt hier eine Abdunklung des im UV Bereich reflektierten Lichtes Unter normalen Lichtverhaltnissen ist diese Fluoreszenz zu schwach um bemerkt zu werden Anwendungsgebiete BearbeitenIm Folgenden sollen einige Methoden und Anwendungsgebiete genannt werden Fluoreszenzspektroskopie Bearbeiten Der Begriff der Fluoreszenzspektroskopie fasst Methoden zusammen die die Fluoreszenzeigenschaften von Fluorophoren ausnutzen um Informationen uber die untersuchten Systeme zu gewinnen Es gibt viele naturliche und synthetische Verbindungen die Fluoreszenz zeigen Mit Hilfe der Spektroskopie lasst sich daher die Zusammensetzung einer Probe ermitteln Siehe auch Fluoreszenz Korrelations Spektroskopie Fluoreszenzpolarisation Fluoreszenztomographie Fluoreszenzmikroskopie Aufhellung und Dekoration Bearbeiten Durch die Absorption unsichtbaren ultravioletten und blauen Lichts und die Aussendung langerwelligen sichtbaren Lichts lasst sich eine Aufhellung erzielen optische Aufheller Signalfarbe Tagesleuchtfarbe Textmarker Tagesleuchtfarbe Bereits im 19 Jahrhundert wurde uber die Fluoreszenz des Aesculins bzw sonnenlichtbestrahlter wassriger Auszuge von Rosskastanienrinde berichtet 6 7 Diesen Effekt untersuchte der deutsche Chemiker Paul Krais 1866 1939 indem er Wolle und Flachs mit Aesculin haltigen Extrakten der Rosskastanie versetzte und damit eine optische Aufhellung erzielte 8 In Diskotheken wird oft sogenanntes Schwarzlicht UV Licht UV A benutzt um fluoreszierende Farben chininhaltige Getranke oder optische Aufheller in Kleidung zum Leuchten zu bringen Bekannt sind auch Tafeln die mit fluoreszierender Kreide beschrieben werden konnen Sie konnen von aussen oder auch von innen Flutlicht durch das transparente Tafelmaterial mit Ultraviolett beleuchtet sein Tagesleuchtfarbe fluoresziert bereits durch die Anregung mit dem Blauanteil des Tageslichtes Da dieser bei schlechtem Wetter und in der Dammerung besonders hoch ist wird eine bessere Sichtbarkeit erreicht Tagesleuchtfarbe gibt es auch in wasserloslicher Form Beleuchtung Bearbeiten Beispiele fur Leuchtstofflampen In Leuchtstofflampen wird ultraviolettes Licht das durch Gasentladung in der mit Quecksilberdampf gefullten Rohre erzeugt wird in sichtbares Licht umgewandelt In weissen Leuchtdioden LED wandeln Fluoreszenzfarbstoffe die diesen Leuchtstoffen ahnlich sind das monochromatische blaue Licht das ein Halbleiterkristall erzeugt in polychromatisches weisses Licht um Technische Fluorophore bestehen aus Stoffen wie dem sehr haufig benutzten Zinksulfid und chemisch ahnlichen Verbindungen oder Oxiden der Selten Erd Metalle Werden diese Verbindungen mit sogenannten Aktivatoren dotiert lassen sich verschiedene Farben erzeugen Als Aktivatoren werden haufig zwei und dreiwertige Lanthanoid Kationen verwendet Zweiwertige Europium Kationen erzeugen beispielsweise blaues Licht wahrend die dreiwertigen rotes Licht emittieren Grunes Licht entsteht beispielsweise durch Cu und Al3 dotiertes Zinksulfid Durch geeignete Komposition Mischung der Leuchtstoffe lasst sich ein grosses Spektrum an nutzbaren Lichtwellenlangen und Farbtemperaturen realisieren wodurch das Leuchtmittel an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann In Leuchtstofflampen wird z B in Abhangigkeit vom verwendeten Leuchtgas das Spektrum des Sonnenlichtes kaltweiss oder das einer Gluhlampe nachgeahmt Auch Tritiumgaslichtquellen nutzen die Fluoreszenz eines Leuchtstoffes der durch die Betastrahlung des Tritium angeregt wird Anzeigen Displays und Bildschirme Bearbeiten Vakuum Fluoreszenzdisplay Bei Anzeigen Displays und Bildschirmen wird oft die Anregung der Fluoreszenzfarbstoffe durch Elektronenbeschuss genutzt Kathodenstrahlrohren Beispiele sind Vakuum Fluoreszenzdisplays Digitron Kathodenstrahlrohrenbildschirme englisch Cathode Ray Tube CRT und Abstimmanzeigerohren Magisches Auge Diesen gemeinsam ist die Freisetzung von Elektronen durch Gluhemission im Vakuum und deren Beschleunigung auf eine Leuchtstoffschicht durch eine elektrische Spannung Die zu Demonstrationszwecken dienende Schattenkreuzrohre sowie Feldemissionsmikroskope besitzen dagegen kalte Kathoden und Bildwandlerrohren beschleunigen die auf einer Photokathode erzeugten Elektronen und erzeugen auf einem kleinen Fluoreszenzschirm ein Abbild Anwendung in Biochemie und Medizin Bearbeiten Mit Ethidiumbromid gefarbte DNA Fragmente in einem Agarose Gel An grosse Biomolekule konnen durch eine Fluoreszenzmarkierung fluoreszierende chemische Gruppen angehangt werden die dann als sehr sensibler Marker fur dieses Molekul dienen Immunfluoreszenz Aufnahme im Spinalganglion der Ratte Zwei verschiedene Proteine wurden mit rot oder grun fluoreszierenden Markern gefarbt Strandillustration mittels Bakterienkulturen die verschiedene fluoreszierende Proteine exprimieren Anwendungsbeispiele sind Bei der automatischen Sequenzierung der DNA mit der Sanger Methode hat jede der vier terminierenden Nukleinbasen eines DNA Stuckes ihren spezifischen fluoreszierenden Marker Wenn die markierten DNA Molekule getrennt werden werden die Marker durch UV Licht angeregt und die Identitat der Marker wird anhand der Wellenlange des emittierten Lichtes festgestellt Die Verbindung Ethidiumbromid zeigt kaum Fluoreszenz wenn sie in einer Losung ihre Konformation frei andern kann Durch Bindung an DNA wird die Fluoreszenz jedoch stark erhoht was sie nutzlich bei der Lokalisierung von DNA Fragmenten macht z B bei der Agarose Gelelektrophorese Die Aminosauren Tryptophan Tyrosin und Phenylalanin fluoreszieren bei Anregung durch UV Licht wobei auch bei Proteinen und Peptiden die diese Aminosauren enthalten Fluoreszenz beobachtet werden kann Auf DNA Chips und Protein Chips wird Fluoreszenz fur die Detektion verwendet In der Immunologie werden Antikorper mit einer fluoreszierenden chemischen Gruppe versehen Molekule an die diese Antikorper spezifisch binden sind anhand der Fluoreszenz erkennbar und konnen somit z B in einer Zelle prazise lokalisiert werden Die Konzentration dieser Molekule Antigen Konzentration kann damit sogar quantitativ bestimmt werden siehe Immunhistochemie Die Fluoreszenz von Porphyrinen Bestandteile bzw Vorlauferstufen des Ham und Chlorophyll kann zur Diagnostik von Stoffwechselerkrankungen der Ham Bildung und die Chlorophyllfluoreszenz zur Bestimmung der Photosyntheseaktivitat genutzt werden Weiterhin dienen Porphyrine zur In vivo Diagnostik von epithelialen Tumoren und Prakanzerosen Da Hame in Lebewesen aus Porphyrinen synthetisiert werden die bei geeigneter Anregung fluoreszieren sind mittels hochleistungsfahiger chromatographischer Verfahren HPLC quantitative Messungen in Blut Stuhl und Urinproben moglich und somit Aussagen uber Stoffwechselprozesse bei der Ham Biosynthese Chlorophyll dient bei der Photosynthese in Organismen zur Umwandlung von Photonen in chemische Energie Uber die Analyse der Chlorophyllfluoreszenz kann man Aussagen zum Zustand des Photosystem II machen und im Rahmen des Umweltschutzes z B den Schadigungsgrad von Waldern untersuchen Die Fluoreszenzdiagnostik FD nutzt Protoporphyrin IX PpIX das sich selektiv in oder an Tumorzellen anreichert Die Fluoreszenz von PpIX kann dann in der Dermatologie und Urologie zur Lokalisierung von Tumoren benutzt werden dd Fluoreszierende Proteine wie das GFP Green fluorescent protein oder FMN bindende Fluoreszenzproteine dienen als Marker bzw Label fur die verschiedensten Molekule und Zellbereiche Zellmembran Zytoplasma Zellkern usw Mit geeigneten mikroskopischen Verfahren wie z B der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie lassen sich damit biologische Vorgange innerhalb der Zellen sichtbar machen Die abstandsabhangige Aktivierung eines fluoreszierenden Akzeptors nach Anregung eines benachbarten Donors durch FRET Forster resonance energy transfer wird in der Biochemie und der Zellbiologie zu Abstandsmessungen im Nanometerbereich genutzt sowie zur Untersuchung von Proteinfaltungen Markierung von Proteinen fur die differentiellen 2D PAGE 2D DIGE 9 FACS Fluorescent activated cell sorter oder Durchflusscytometrie FISH Fluorescence in situ hybridization Chromosomenanalyse Beobachtung einzelner Molekule mittels Einzelmolekulfluoreszenzspektroskopie Die Vital Fluoreszenz Doppelfarbung dient der Unterscheidung zwischen lebenden und toten Zellen TRFIA time resolved fluoroimmunoassay Eu3 Ionen fluoreszieren in Wasser nur kurz Deshalb verwendet man Chelatbildner die um die Eu3 Ionen herum eine hydrophobe Umgebung aufbauen Das fuhrt zu einer langeren Dauer der Fluoreszenz Dadurch wird eine Unterscheidung von allen anderen kurzlebigeren Fluoreszenzen moglich die in organischen Gemischen vorkommen konnen In der Forensik werden auch die Eigenschaften von Proteinen und ihre fluoreszierende Wirkung auf bestimmte Wellenlangen des Lichts herangezogen um Blut Speichel Urin oder Sperma erkennen zu konnen Da diese Stoffe im Tageslicht fur das Auge nicht immer zu erkennen sind werden Leuchten mit speziellen Filtern ausgestattet um je nach Korperflussigkeit spezifische Proteine zum Leuchten zu bringen Zur besseren Erkennung der fluoreszierenden Proteinspuren wird eine Brille mit einem Breitbandfilter verwendet die die storende Untergrundfluoreszenz und Streustrahlung ausblendet 10 In der Obstwirtschaft konnen Schimmelpilze unter UV Licht erkannt werden Bildende Kunst Bearbeiten Die Verwendung fluoreszierender Farben stellt ein Stilmerkmal in der psychedelischen Kunst und in der zeitgenossischen Lichtkunst dar Siehe auch BearbeitenParametrische Fluoreszenz Sensibilisierte ChemolumineszenzWeblinks Bearbeiten Wiktionary Fluoreszenz Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Fluorophores org Datenbank fur Fluoreszenzfarbstoffe TU Graz Fluorescence Spectra Viewer Invitrogen Corp Fluoreszenz In Mineralien Lexikon Natrium Resonanzfluoreszenz LP LehrPortal der Georg August Universitat Gottingen Lichtmikroskopie und Fluoreszenz Universitat Wien Fluorescence Microscopy Umfangreiches interaktives Tutorial engl Technik zur Beobachtung der Bio Fluoreszenz mariner Lebewesen engl Biologische Bedeutung der Bio Fluoreszenz mariner Lebewesen deu engl scinexx de Leuchtende Natur Das Geheimnis der Biofluoreszenz 30 August 2019Literatur BearbeitenWerner Lieber Leuchtende Kristalle Wissenswertes uber Fluorszenz Vetter Verlag Wiesloch 48 S 1965 pdf 15MB Werner Lieber Die Fluoreszenz von Mineralen 5 Sonderheft zur Zeitschrift Der Aufschluss VFMG Heidelberg 62 S 1957 pdf 20MB Einzelnachweise Bearbeiten 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 TV Beitrag auf ServusTV am 25 Mai 2016 Nico K Michiels u a Red fluorescence in reef fish A novel signalling mechanism 2008 abgerufen am 14 Marz 2011 englisch 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 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 Worterbuch des allgemeinen Wissens Band 6 Verlag Bibliographisches Institut Hildburghausen 1863 S 936 Optische Aufheller Geschichtliches und Stoffgruppen D Weiss Online Institut fur Organische Chemie und Makromolekulare Chemie Friedrich Schiller Universitat Jena Ilya A Osterman Alexey V Ustinov Denis V Evdokimov Vladimir A Korshun Petr V Sergiev Marina V Serebryakova Irina A Demina Maria A Galyamina Vadim M Govorun Olga A Dontsova A nascent proteome study combining click chemistry with 2DE In Proteomics Band 13 Nr 1 Januar 2013 S 17 21 doi 10 1002 pmic 201200393 PMID 23161590 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