Fluoreszenz

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

Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Anregung eines Materials durch elektronische Übergänge. Dabei ist das emittierte Licht in der Regel energieärmer als das vorher absorbierte. Fluoreszenz wurde erstmals 1852 von George Gabriel Stokes beschrieben. [1] Das Wort „Fluoreszenz“ leitet sich von dem fluoreszierenden Mineral Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF2) ab. 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

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.

Phosphoreszenz und Fluoreszenz

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 Fluoreszenzlicht ist in der Regel gegenüber dem Anregungslicht langwellig verschoben. Dieser Effekt wird Stokessche Regel genannt. Der Effekt beruht darauf, dass bei der elektronischen Anregung zunächst höhere Schwingungszustände des angeregten Zustands besetzt werden, die ihre Energie 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 (Schwingungsrelaxation). 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 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.

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