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Fluoreszenz

Fluoreszenz ist ein physikalisches Phänomen, bei welchem ein Stoff zuerst durch elektromagnetische Strahlung elektronisch angeregt wird und nachher Licht emittiert. Es handelt sich um eine Unterkategorie des kalten Lichtes, der Lumineszenz.

Die Entstehung der Fluoreszenz ist bedingt durch die Fähigkeit eines Stoffes die elektromagnetische Strahlung zu absorbieren und die gespeicherte Energie nachher in Form einer charakteristischen Emissionstrahlung zu emittieren. Durch Absorbtion der elektromagnetischen Strahlung tritt der bestrahlte Stoff in einen energetisch reicheren, angeregten Zustand. Die Rückkehr aus diesem Zustand in den Grundzustand ist mit Austrahlung eines Photons verbunden. Kommt es dazu unmittelbar nach der Anregung (weniger als 10-8 s), sprechen wir über die Unterkategorie der Lumineszenz – Fluoreszenz.

Fast immer gilt, dass die Anregungsstrahlung eine kürzere Wellenlänge hat und somit energiereicher als die Emissionsstrahlung ist.

Typische Beispiele der Anregungsstrahlung sind Licht im sichtbaren Bereich, ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlung und Radioaktivität; im letzen Fall reden wir über Radiolumineszenz.

Die Stoffe, die Fluoreszenz aufweisen, können unterschiedliche Strukturen haben, generell gilt aber, dass organische fluoreszierende Stoffe in ihrer Struktur ein System der konjugierten Doppelbindungen haben. Diesen Bereich dominieren ganz klar Moleküle mit verknüpften aromatischen Ringen.

Die ersten Beobachtungen der Fluoreszenz gehen bis ins Mittelalter zurück. Damals hat man exotische pflanzliche Materialien und Holzarten importiert und in der Medizin verwendet. Nicolás Monardes, ein spanischer Arzt und Biologe, beobachtete zur gleichen Zeit wie der Franziskaner Bernardino de Sahagún die merkwürdigen optischen Eigenschaften des Extrakts aus dem Holz des mexikanischen Strauchs Eynsemhardtia polystachia und der aus den Philippinen stammenden Pflanze Pterocarpus indicus. Beide Pflanzen wurden später als „lignum nephriticum“ („Nierenholz“) bekannt, weil der Extrakt aus diesem Holz dank seiner diuretischen Eigenschaften eine nierenheilende Wirkung aufwies.

Lies man dieses Holz im klaren Brunnenwasser ziehen, erhielt das Wasser einen prachtvollen bläulichen Farbton – ein Resultat der Fluoreszenz der Inhaltsstoffe im Holz. Dieser Effekt trat vor allem im halbdunklen Raum zu Tage. Erzeugnisse aus diesem Holz, vor allem Holzbecher, waren eine Zeit lang eine Kuriosität an Adelshöfen.

Ein ähnliches, aber bekannteres Beispiel für Holz- und Rindenarten mit heilender Wirkung und Fluoreszenz sind Chinaridenbäume. Der Effekt ist allgemein sehr gut bekannt in Tonic Getränken.

Fluoreszenz findet eine sehr breite Anwendung, wie Sie dem unteren Teil der Mind-Map (Bestandteil des Schullumineszenzkits) entnehmen können. Die wohl bekanntesten Beispiele der Anwendung von Fluoreszenzstoffen finden wir in der Beleuchtungstechnik, z.B. funktionieren auch Leuchtstofflampen auf Basis von Fluoreszenz. In einer Leuchtstofflampe gibt es Quecksilberdämpfe, die im elektrischen Bogen angeregt werden, wonach sie UV Strahlung abgeben. UV Strahlung fällt auf die Rohrwände, wo ein spezielles Fluorophor aufgetragen ist. Das Fluorophor wird durch das UV Licht angeregt und anschliessend emittiert es Licht im sichtbaren Bereich.

Durch die Wahl eines geeigneten Luminophors lässt sich die Chromatizitätsfarbe der Leuchtstofflampen variieren, z.B. von kalten Tönen (5500 K) bis hin zu den warmen (2700 K), die an das Licht der Glühbirne erinnern.

Bei der Beschreibung der Beleuchtungstechnik muss die Technologie der elektrolumineszenten Dioden, besser bekannt unter dem englischen Begriff Light Emitting Diode, erwähnt werden. Durch Rekombinierung von Elektronen und Löchern kommt es zur Lichterzeugung. Bei dieser Rekombinierung wird das Diodenmaterial angeregt und nachher emittiert es die für die LED charakteristische Emissionsstrahlung. Variationen der Zusammensetzung des photoaktiven LED-Materials ermöglichen es eine breite Farbpalette zu erreichen. Der wichtige Vorteil der LED Dioden ist ihre hohe Energieeffizienz.

Abgesehen von der Beleuchtungstechnik finden die Fluoreszenzfarbstoffe eine sehr breite Anwendung. Je nach ihrer Struktur können sie entweder fettlöslich oder wasserlöslich sein. Die Präsenz der apolaren, lipophilen Substituenten erhöht die Fettlöslichkeit, während die Einführung von ionischen oder hydrophilen Gruppierungen zur Steigerung der Wasserlösligkeit beiträgt.

Die Anwendungsbreite der Fluoreszenzfarbstoffe ist wirklich immens. Spezielle Fluoreszenzfarbstoffe werden im Druck von Wertpapieren, Banknoten und offiziellen Dokumenten eingesetzt. Lipophile Fluoreszenzfarbstoffe werden für die frühe Leckdetektion von Ölen und anderen Betriebsflüssigkeiten in Fahr- und Flugzeugen verwendet. Ein eventuelles Austreten der Flüssigkeit kann relativ einfach mit einer UV Lampe in einer dunklen Garage entdeckt werden. Die Fluoreszenzmarkierung der Heizöle und Treibstoffe hilft der Polizei und den Kontrollbehörden bei der Entdeckung von Steuerbetrügen.

Wasserlösliche Fluoreszenzfarbstoffe finden im Allgemeinen eine breitere Anwendung – sie werden routinenmässig bei hydrogeologischen Untersuchungen der Grundwässerflüsse eingesetzt (die sogenannten Tracer-Dyes).

Es funktioniert folgendermassen: Die hochkonzentrierte Lösung eines nicht-toxischen Farbstoffes wird in den Untergrund injiziert und anschliessend wird an verschieden Stellen beobachtet, wo es zur Fluoreszenzdetektion kommt. Auf diese Art und Weise lässt sich ein relativ detailliertes Bild der Untergrundstruktur und Grundwasserverteilung erhalten.

Ein Paradebeispiel der Erforschung von schwer zugänglichen Untergrundquellen in einem Karstgebiet waren die Untersuchungen der Donauquelle 1877, als man 10 kg des Fluorescein-Natriumsalzes in den Untergrund eingespritzt hatte und mit einem Zeitabstand beobachten konnte, wie der Fluss seinen Weg durch den Untergrund findet.

Fluorescein Natriumsalz kann auch zur Rettung von verunglückten Flugzeugen auf der Meeresoberfläche benutzt werden. Das ausserordentliche Farbvermögen des Fluoresceins kann mit sehr wenig Substanz einer grossen Wassermenge eine intensive giftgrüne Farbe verleihen. Beim Aufprall des Flugzeuges wird Fluorescein freigesetzt und eine relativ grosse Wasseroberfläche gefärbt. Die intensiv gefärbte Wasserfläche kann durch die Rettungsflugzeuge leichter gesichtet werden.

Fluorescein in Wasser bei UV-Licht Bestrahlung

Optische Aufheller, die heutzutage fast überall zu finden sind, haben ihren historischen Ursprung auch in der Pflanzenwelt. Im 19. Jahrhundert wurde beobachtet, dass der Rosskastanienextrakt, der den Glykosid Aesculin enthält, blau fluoresziert und in der Lage ist, durch seine Fluoreszenz die gelbliche Wäsche optisch wesentlich aufzuhellen. Die Strukturanalyse des Aesculins brachte die Chemiker zur Synthese von neuen optischen Aufhellern mit grösserer Wirksamkeit und Stabilität, so dass heute die optischen Aufheller in fast jedem Waschpulver und Papier enthalten sind. Man kann dies leicht mit einer UV Lampe nachweisen. Textilfasern, die mit optischen Aufhellern in Kontakt kamen, weisen eine blaue Fluoreszenz auf.

Optischer Aufheller in Wasser

Die moderne Biologie und Biochemie kann man sich ohne Fluoreszenz nicht mehr vorstellen. Fluoreszenzfarbstoffe finden eine breite Anwendung bei der Färbung von biologischen Präparaten, bei der Untersuchung von Zellgeweben in der Fluoreszenzmikroskopie und bei vielen anderen Anwendungen. Empfindliche Farbstoffe für Biologie, Histologie und Mikroskopie ermöglichen es, Pathogene oder Zellgewebeänderungen frühzeitig zu erkennen und Zellvorgänge detailiert zu beobachten.

Beim Studium der Zellvorgänge auf Nanoebene werden fluoreszenzmarkierte Peptide, Enzyme und andere für die Zellprozesse wichtige Stoffe eingesetzt, weil die Anwesenheit der Fluoreszenzmarkierung es ermöglicht, ihre Funktion, Struktur und Schicksal in der Zelle detailiert zu studieren.