Fluoreszenz

Definition

• Spontane, ungerichtete Abstrahlung von Licht nach vorheriger Anregung, wobei der Zeitabstand zwischen Erregung und Abstrahlung 10^-5 s nicht überschreitet.

Bemerkungen

• Fluoreszenz tritt auf, wenn beim Übergang eines elektronisch angeregten Systems in einen Zustand niedrigerer Energie die "überschüssige" Energie in Form von Licht abgegeben wird.
• Fluoreszenz kann nicht nur bei Molekülen, sondern auch z.B. bei Atomen und Ionen auftreten. Da die meisten fluoreszierenden Substanzen Moleküle darstellen, wird hier nachfolgend vereinfachend nur von Molekülen gesprochen.
  • Bei den meisten Molekülen wird die aufgenommene Energie nicht durch Lichtemission wieder abgegeben, sondern durch Abgabe der Energie in mehreren kleineren Schritten als Wärme.
  • Diese Art der Relaxation ist bei den meisten Molekülen schneller, als die Energieabgabe durch Fluoreszenz und konkurriert auch bei fluoreszierenden Molekülen.
• Die Wellenlänge, die bei der Fluoreszenz emittiert wird ist meist größer, als die der Anregungsenergie entsprechende.
• Sollten Anregungs- und Fluoreszenzwellenlänge gleich sein, so spricht man von Resonanzfluoreszenz, z.B. bei Natrium.
• Die für eine Anregung notwendige Zeit beträgt ca. 10^-15 - 10^-14 s.
• Die Emission findet in einem Bereich von ca. 10^-8 bis 10^-5 s nach Ende der Anregung statt.
• Kann der angeregte Zustand länger erhalten werden, findet die Lichtemission also später statt, so spricht man von Phosphoreszenz.
  • Ein weiterer Unterschied zur Phosphoreszenz besteht darin, dass Fluoreszenzübergänge spinerlaubt sind, also der Auswahlregel ΔS ≠ 0 folgend und somit zwischen Zuständen gleichen Spins auftreten. 
  • Diese fehlende Spinänderung ist auch für die kurze Dauer des angeregten Zustandes bei der Fluoreszenz und die damit sehr rasche Relaxation (und Lichtemission) nach Ende der Anregung verantwortlich.
• Fluoreszenz und Phosphoreszenz sind Formen der Lumineszenz.

Voraussetzungen

• Voraussetzungen für eine Fluoreszenz sind:
  • Absorption von Licht 
  • Behinderte Energieabgabe auf dem alternativen Relaxationsweg (z.B. bei sehr starren Molekülen, die so die eingestrahlte Energie nicht über Schwingungsenergie (= Wärme) abgeben können)
• Sind beide Vorraussetzungen in Molekül oder einem Teil eines Moleküls erfüllt, so kann man von einer Fluoreszenz des betreffenden Moleküls ausgehen.
• Den für die Fluoreszenz verantwortlichen Molekülteil bezeichnet man als Fluorophor.

Funktionsprinzip

• Durch die Absorption von Licht erhöht sich die Energie im Fluorophor; er wird angeregt.
• In diesem angeregten Zustand bleibt der Fluorophor eine kurze Zeit (Fluoreszenzlebensdauer), bevor er dann die aufgenommene Energie ganz (im Falle der Resonanzfluoreszenz) oder teilweise als Licht abstrahlt und so in den Grundzustand zurückkehrt. 
  • Wird nur ein Teil der aufgenommenen Energie als Licht abgegeben, so muss der Rest als Schwingungsenergie (Wärme) abgebaut werden. 
  • Zudem muss hier, da ein Teil der Energie des eingefangenen Photons für das neu ausgesendete fehlt, aufgrund der Stokesschen Regel, die Wellenlänge des emittierten Photons größer als die des aufgenommenen Photons sein (Stokes-Shift).
    • Je starrer ein Fluorophor ist, desto näher liegt normalerweise seine Emissionswellenlänge an seiner Anregungswellenlänge, da hier ein geringerer Teil der Energie des absorbierten Photons in Schwingungsenergie umgewandelt werden kann.
  • Die Summe der abgegebenen Energiemengen muss stets gleich der aufgenommenen Energie sein. 
• Die Wahrscheinlichkeit, mit der die Anregung eines Fluorophors tatsächlich zur Emission eines Fluoreszenzphotons führt, bezeichnet man als Quantenausbeute.
• Diese Quantenausbeute lässt sich durch Gegenwart bestimmter, als Quencher bezeichneter, Stoffe senken.
  • Quencher fördern alternative Relaxationswege zu Lasten der Ralaxation unter Emission von Licht (= Fluoreszenz). Dies wird daher auch als "quenching" bzw. Fluoreszenzlöschung bezeichnet.
    • Ein wichtiger Quencher, besonders für die Fluoreszenz organischer Fluorophore, ist O₂. Dies lässt sich z.B. zur Messung der Sauerstoffkonzentration einsetzen.
    • Ein anderer wichtiger Quencher ist Chlorid.
• Die Abhängigkeit der Fluoreszenzquantenausbeute von der Konzentration eines Quenchers kann oft mit der Stern-Volmer-Gleichung hinreichend gut berechnet werden.

Geschichtliches

• Die Bezeichnung Fluoreszenz leitet sich vom fluoreszierenden Mineral Fluorit (Flussspat, Calciumfluorid, CaF₂) ab.

• Siehe auch:

  • Fluorimetrie

  • Phosphoreszenz

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