Fluoreszenz
nach dem fluoreszierenden Mineral Fluorit (CaF2)
Englisch: fluorescence
Definition
Fluoreszenz ist eine Substanzeigenschaft, die sich durch die spontane Emission von Licht nach vorheriger Absorption elektromagnetischer Strahlung äußert. Dabei wird ein Elektron durch Energieaufnahme in einen angeregten Zustand überführt und fällt anschließend innerhalb sehr kurzer Zeit wieder in einen energetisch niedrigeren Zustand zurück. Die dabei freiwerdende Energie wird als Photon emittiert.
Das entsprechende Verb heißt fluoreszieren.
Physikalische Grundlagen
Fluoreszenz beruht auf elektronischen Übergängen innerhalb von Atomen oder Molekülen. Durch Absorption eines Photons wird ein Elektron aus dem Grundzustand in einen angeregten Zustand überführt. Dieser Zustand ist energetisch instabil. Das Elektron relaxiert typischerweise innerhalb von etwa 10−9 bis 10−8 Sekunden wieder in einen niedrigeren Energiezustand. Ein Teil der aufgenommenen Energie wird vorher durch nicht-strahlende Prozesse, z.B. Gitterschwingungen, abgegeben. Daher besitzt das emittierte Photon eine geringere Energie als das absorbierte. Der Unterschied zwischen Absorptions- und Emissionsenergie wird als Stokes-Verschiebung bezeichnet.
Fluoreszenz tritt nur während der Anregung durch die einfallende Strahlung auf und endet unmittelbar nach Abschalten der Strahlungsquelle.
Abgrenzung
Fluoreszenz ist von der Phosphoreszenz zu unterscheiden. Bei der Phosphoreszenz erfolgt die Lichtemission verzögert, da Elektronen zunächst in metastabile Zustände übergehen. Die Emission kann daher noch Sekunden bis Minuten nach Beendigung der Anregung anhalten.
Radiologie
In der Radiologie wird Fluoreszenz zur Umwandlung von Röntgenstrahlung in sichtbares Licht genutzt. Bestimmte Materialien absorbieren Röntgenphotonen und emittieren anschließend Licht im sichtbaren Bereich. Dieses Licht kann von fotografischem Film oder elektronischen Detektoren registriert werden. Das Prinzip wird in Verstärkungsfolien, Szintillatoren und verschiedenen Röntgendetektoren genutzt. Durch die Umwandlung eines einzelnen Röntgenphotons in viele sichtbare Lichtphotonen wird die Detektionseffizienz deutlich erhöht.
Typische fluoreszierende Materialien in der Radiologie sind:
- Zinksulfid
- Cadmiumtungstat
- Verbindungen seltener Erden, z.B. Gadoliniumoxysulfid
Biomedizin
In der Biomedizin wird Fluoreszenz zur Darstellung und zum Nachweis von Molekülen, Zellen oder Zellstrukturen eingesetzt. Dabei werden sogenannte Fluorochrome verwendet, die nach Anregung mit Licht bestimmter Wellenlänge fluoreszieren. Diese Methode wird unter anderem verwendet in:
- Fluoreszenzmikroskopie
- Immunfluoreszenz
- molekularbiologischen Nachweismethoden
Hierbei kann die Fluoreszenz entweder von der untersuchten Substanz selbst ausgehen (primäre Fluoreszenz) oder durch gebundene Fluoreszenzmarker erzeugt werden (sekundäre Fluoreszenz).
