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Fluoreszenz ist einerseits ein faszinierendes Phänomen, welches in der Natur vorkommt und andererseits findet sie vielfältig Anwendung in der Medizin und Technik. Somit spielt Fluoreszenz in unserem Alltag eine größere Rolle, wie man zunächst denkt.
In diesem Artikel erklären wir dir ganz simpel…
- …wie Fluoreszenz definiert wird
- …wie sie entsteht
- …wo sie sich zu Nutzen gemacht wird
Ganz einfach ausgedrückt bedeutet Fluoreszenz, dass ein Material leuchtet, wenn es von Licht angestrahlt wird. Allerdings besitzen nicht alle Substanzen diese Fähigkeit. Die Stoffe bei denen Fluoreszenz auftritt werden als Fluorophore bezeichnet.
Wie wird Fluoreszenz erzeugt?
Um Fluoreszenz zu erzeugen, wird ein Material meistens mit UV-Licht, welches nicht sichtbar ist, angestrahlt. Je nach Substanz muss die Wellenlänge der Strahlung aber anders gewählt werden. Ein Objekt kann nämlich nur dann Licht absorbieren, wenn die Energie der Strahlung mindestens so hoch ist wie der Unterschied zwischen dem Grundzustand des Objekts und dem nächsten Energieniveau.
Bestimmte Stoffe sind in der Lage, dass sie das Licht absorbieren. Das heißt, dass sie optisch angeregt werden. Das Material sendet nach Anregung durch das UV-Licht sofort ein Licht aus, das eine längere und energieärmere Wellenlänge besitzt. Der Gegenstand hört aber sofort wieder zu leuchten auf, sobald er nicht mehr durch die Lichtquelle bestrahlt wird.
Wie funktioniert Fluoreszenz – Physikalische Erklärung
Schauen wir uns das Phänomen genauer an. Wie wir gerade geklärt haben, muss ein Objekt optisch angeregt werden, damit Fluoreszenz entstehen kann. Doch was passiert dabei?
Physikalisch betrachtet springt der Stoff von einem energiearmen Zustand über in einen energiereichen Zustand. Genauer gesagt wechselt das Elektron seinen Energiezustand. Ausgelöst wird das durch ein Photon, auch Lichtteilchen genannt.
Erfolgt der Übergang vom Zustand höherer Energie in den Zustand niedrigerer Energie sehr schnell, dann spricht man von Fluoreszenz. Sehr schnell bedeutet in dem Fall, dass der Wechsel in etwa 0,00001 Millisekunden dauert, also 
Sekunden.
Bei diesem Übergang wird Energie frei und als Licht einer längeren Wellenlänge abgegeben. Diese Strahlung ist dabei isotrop, also richtungsunabhängig. Somit wird sie in alle Richtungen in gleich hoher Intensität abgegeben.
Die Stokes-Verschiebung
Die Stokes-Verschiebung, auch Stokessche Regel genannt, beschreibt die Differenz zwischen der Wellenlänge der Strahlung, die das Objekt anregt und der Wellenlänge des Lichts, das die Substanz abgibt. Eine längere Wellenlänge bedeutet eine energieärmere Strahlung.
Die Stokes-Verschiebung hat verschiedene physikalische Ursachen. Ein Grund dafür ist zum Beispiel die Abgabe der Energie in Form von Wärme. Durch die Wärmeabgabe kommt es zu einem Energieverlust. Infolgedessen kann beim Wechsel in den Grundzustand weniger Energie in Form von Licht abgegeben werden. Eine weitere Ursache ist die Schwingungsrelaxation.
Fluoreszenz und Phosphoreszenz Unterschied
Fluoreszenz und Phosphoreszenz gehören beide zur Photolumineszenz. Dieser Begriff beschreibt alle physikalischen Vorgänge bei denen Substanzen nach der Absorption (Aufnahme) von Strahlung selbst Licht emittieren (abgeben).
Autofluoreszenz und Fluoreszenzfarbstoffe
Einerseits gibt es Substanzen, die von Natur aus die Fähigkeit zur Fluoreszenz besitzen, andererseits werden extra Moleküle mit dieser Eigenschaft entwickelt. Schauen wir uns das genauer an!
Autofluoreszenz
Bestimmte Materialien und biologische Strukturen, wie z.B. Mineralien, Pflanzen und Gewebe, können von Natur aus fluoreszieren. Dies wird dann als Autofluoreszenz bezeichnet. Einerseits kann dies in der Biomedizin und Mikroskopie hilfreich sein, andererseits kann es bei manchen Untersuchungen aber auch behindern. Mehr zur Anwendung der Fluoreszenz in diesen Bereichen erfährst du weiter unten im Artikel.
Fluoreszenzfarbstoffe
Im Gegensatz zur Autofluoreszenz wurden Fluorochrome spezifisch entwickelt. Die Fluoreszenzfarbstoffe sind Moleküle, die konstruiert wurden, um besonders intensiv zu fluoreszieren. Eingesetzt werden sie unter anderem in der Biologie und Medizin.
Fluoreszenz Vorkommen
Wie wir gerade geklärt haben, besitzen verschiedene biologische Strukturen von Natur aus die Fähigkeit zu fluoreszieren, wenn sie durch Licht angeregt werden. Wo Fluoreszenz dabei konkret vorkommt und für was sie dabei genutzt werden kann, schauen wir uns jetzt nochmal genauer an.
Erklärung
- Wenn die kosmische Strahlung bzw. Teilchen von ihr auf die Erdatmosphäre trifft, dann bildet sich ein Luftschauer.
- In der Atmosphäre werden durch die geladenen Teilchen in den Schauern wiederum Stickstoffmoleküle angeregt. Dadurch strahlen diese Moleküle Fluoreszenzlicht aus.
Nutzen für die Forschung
- Das Fluoreszenzlicht hilft dabei die Energie und Zusammensetzung der primären kosmischen Strahlung zu erforschen und ist dabei ein zentrales Werkzeug der Astroteilchenphysik.
- Gemessen wird das Fluoreszenzlicht mithilfe spezieller Teleskope.
Erklärung
- Verschiedene Mineralien und Edelsteine beginnen zu fluoreszieren, wenn sie durch UV-Licht angeregt werden.
- Hierbei liegt die Ursache der Fluoreszenz in bestimmten Spurenelementen oder Defekte im Kristallgitter.
Nutzen für die Forschung
- Mithilfe der Fluoreszenz können Mineralien und Edelsteine identifiziert werden, da bestimmte Mineralien in bestimmten Farben leuchten.
- Außerdem kann man durch die Fluoreszenz Fossilien leichter finden.
Erklärung
- Biofluoreszenz tritt unter anderem bei Korallen, Quallen, Fischen Pilzen und einigen Pflanzen auf.
- Die Lebewesen, Pflanzen und Pilze, die die Fähigkeit zur Biofluoreszenz besitzen, senden Licht aus, nachdem sie durch UV-Strahlung optisch angeregt wurden.
Nutzen
- Die Forschung untersucht nach wie vor die Gründe für die Biofluoreszenz bei den verschiedenen Arten.
- Allgemein kamen die Forscher bereits zu dem Ergebnis, dass die Fluoreszenz einerseits zur Anlockung von Partnern benutzt wird, andererseits aber auch zum Schutz vor der UV-Strahlung dient.
Fluoreszenz Anwendung
Nachdem wir nun geklärt haben, wo Fluoreszenz in der Natur vorkommt und wie sie dort für die Erforschung gewisser Prozesse dient, wollen wir uns jetzt anschauen in welchen Bereichen der Forschung und Technik sie des Weiteren genutzt wird.
Fluoreszenzspektroskopie
- Die Fluoreszenzspektroskopie kommt unter anderem in der Biologie, Chemie und Medizin zum Einsatz.
- Bei diesem analytischen Verfahren wir die Fluoreszenz in einer Probe quantitativ als auch qualitativ gemessen.
- Als Ergebnis wird ein Spektrum erzeugt, das die Intensität des ausgesandten Lichts in Abhängigkeit der Wellenlänge der absorbierten Strahlung zeigt.
- Diese Untersuchung gibt Aufschluss über die Konzentration, Identität und Eigenschaften von Molekülen.
- Das Besondere ist, dass die Fluoreszenzspektroskopie sehr empfindlich ist und sie somit kleinste Mengen nachweisen kann.
Fluoreszenzmikroskopie
- Bei der Fluoreszenzmikroskopie erhält man im Gegensatz zur Fluoreszenzspektroskopie eine Bildgebung und kein Spektrum.
- Ziel der Fluoreszenzmikroskopie ist es Strukturen in biologischen oder anderen Proben darzustellen.
- Bei diesem Verfahren werden häufig Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt
Biochemie und Medizin
Auch in der Biochemie und der Medizin sind die Anwendungsgebiete der Fluoreszenz vielfältig:
- Mithilfe von Fluorochromen als auch Proteinen können spezifische Moleküle, Zellstrukturen und Prozesse sichtbar gemacht werden.
- Ein konkretes Beispiel findet sich in der DNA-Sequenzierung: Hierbei kann die Basenfolge durch fluoreszierende Marker identifiziert werden.
- In der Medizin kann die Fluoreszenz dazu beitragen krankhafte Veränderungen wie z.B. Tumorzellen erkennbar zu machen.
Technik
Auch in unserem alltäglichen Leben spielt Fluoreszenz eine Rolle. Zum Beispiel beim Aufhellen von Materialen und Bildschirmen:
Beleuchtung und sonstige Aufhellung:
- In sogenannten Leuchtstofflampen werden fluoreszierende Stoffe eingesetzt, um Licht in verschiedenen Farben zu erzeugen.
- Außerdem befinden sich in Waschmitteln und Textilien optische Aufheller. Dies dient vor allem dazu, dass weiße Kleidung noch strahlender wirkt.
Bildschirme:
- Genauso wie für Lampen werden in Fernseh- und Computerbildschirmen Fluoreszenz genutzt, um farbiges Licht zu erhalten.