Fluoreszenz

Fluoreszierende Mineralien emittieren sichtbares Licht, wenn sie ultraviolett bestrahlt werden. ⓘ

Fluoreszierende Meeresorganismen ⓘ

Fluoreszierende Kleidung bei Schwarzlichttheaterproduktionen, Prag ⓘ

Fluoreszenz ist die Emission von Licht durch eine Substanz, die Licht oder andere elektromagnetische Strahlung absorbiert hat. Sie ist eine Form der Lumineszenz. In den meisten Fällen hat das emittierte Licht eine größere Wellenlänge und damit eine geringere Photonenenergie als die absorbierte Strahlung. Ein wahrnehmbares Beispiel für Fluoreszenz tritt auf, wenn die absorbierte Strahlung im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt (für das menschliche Auge unsichtbar), während das emittierte Licht im sichtbaren Bereich liegt; dies verleiht der fluoreszierenden Substanz eine deutliche Farbe, die nur unter UV-Licht sichtbar wird. Fluoreszierende Stoffe hören fast sofort auf zu leuchten, wenn die Strahlungsquelle aufhört, im Gegensatz zu phosphoreszierenden Stoffen, die noch einige Zeit danach weiterleuchten. ⓘ

Fluoreszenz hat viele praktische Anwendungen, darunter Mineralogie, Gemmologie, Medizin, chemische Sensoren (Fluoreszenzspektroskopie), Fluoreszenzetiketten, Farbstoffe, biologische Detektoren, Detektion kosmischer Strahlung, Vakuum-Fluoreszenzanzeigen und Kathodenstrahlröhren. Die häufigste Anwendung im Alltag sind (Gasentladungs-)Leuchtstofflampen und LED-Lampen, in denen fluoreszierende Beschichtungen UV- oder blaues Licht in längerwelliges Licht umwandeln, was zu weißem Licht führt, das sogar von dem der herkömmlichen, aber energieineffizienten Glühlampe nicht zu unterscheiden ist. ⓘ

Fluoreszenz kommt in der Natur auch häufig in einigen Mineralien und in vielen biologischen Formen aus allen Bereichen des Lebens vor. Letzteres kann als Biofluoreszenz bezeichnet werden, was bedeutet, dass das Fluorophor Teil eines lebenden Organismus ist oder aus diesem extrahiert wird (und nicht aus einem anorganischen Farbstoff oder Fleck). Da die Fluoreszenz jedoch auf eine bestimmte Chemikalie zurückzuführen ist, die in den meisten Fällen auch künstlich hergestellt werden kann, genügt es, die Substanz selbst als fluoreszierend zu bezeichnen. ⓘ

Violette Fluorit-Zwillingskristalle (oben) unter kurzwelligem UV-Licht (unten) ⓘ

Fluoreszierende Organismen, aufgenommen vor Little Cayman ⓘ

Fluoreszenz (fluorɛsˈt͜sɛnt͜s) ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Anregung eines Materials durch Licht. Dabei sind die emittierten Photonen in der Regel energieärmer als die vorher absorbierten. 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. ⓘ

Geschichte

Lignum nephriticum-Becher aus dem Holz des Narra-Baums (Pterocarpus indicus) und ein Kolben mit seiner fluoreszierenden Lösung ⓘ

Matlaline, die fluoreszierende Substanz im Holz des Baumes Eysenhardtia polystachya ⓘ

Eine frühe Beobachtung der Fluoreszenz wurde 1560 von Bernardino de Sahagún und 1565 von Nicolás Monardes in dem als lignum nephriticum (lateinisch für "Nierenholz") bekannten Aufguss beschrieben. Es wurde aus dem Holz von zwei Baumarten, Pterocarpus indicus und Eysenhardtia polystachya, gewonnen. Die chemische Verbindung, die für diese Fluoreszenz verantwortlich ist, ist Matlalin, das Oxidationsprodukt eines der in diesem Holz vorkommenden Flavonoide. ⓘ

1819 beschrieb Edward D. Clarke und 1822 René Just Haüy die Fluoreszenz in Fluoriten, Sir David Brewster beschrieb das Phänomen 1833 für Chlorophyll und Sir John Herschel tat dasselbe 1845 für Chinin. ⓘ

George Gabriel Stokes beschrieb 1852 in seiner Arbeit über die "Refrangibilität" (Veränderung der Wellenlänge) von Licht die Fähigkeit von Flussspat und Uranglas, unsichtbares Licht jenseits des violetten Endes des sichtbaren Spektrums in blaues Licht zu verwandeln. Er nannte dieses Phänomen Fluoreszenz: "Ich bin fast geneigt, ein Wort zu prägen und die Erscheinung Fluoreszenz zu nennen, von Flussspat [d.h. Fluorit], so wie der analoge Begriff Opaleszenz von dem Namen eines Minerals abgeleitet ist." Der Name leitet sich von dem Mineral Fluorit (Calciumdifluorid) ab, von dem einige Exemplare Spuren von zweiwertigem Europium enthalten, das als Fluoreszenzaktivator für die Emission von blauem Licht dient. In einem Schlüsselexperiment verwendete er ein Prisma, um ultraviolette Strahlung aus dem Sonnenlicht zu isolieren, und beobachtete blaues Licht, das von einer Ethanollösung mit Chinin ausgesandt wurde, die er damit belichtete. ⓘ

Bereits im 19. Jahrhundert wurde über die Fluoreszenz des Aesculins, bzw. sonnenlichtbestrahlter, wässriger Auszüge von Rosskastanienrinde berichtet. Diesen Effekt untersuchte der deutsche Chemiker Paul Krais (1866–1939), indem er Wolle und Flachs mit Aesculin-haltigen Extrakten der Rosskastanie versetzte und damit eine optische Aufhellung erzielte. ⓘ

Physikalische Grundlagen

Mechanismus

Fluoreszenz tritt auf, wenn ein angeregtes Molekül, Atom oder eine Nanostruktur durch die Emission eines Photons ohne Änderung des Elektronenspins in einen niedrigeren Energiezustand (in der Regel den Grundzustand) übergeht. Wenn der Anfangs- und der Endzustand eine unterschiedliche Multiplizität (Spin) aufweisen, wird das Phänomen als Phosphoreszenz bezeichnet. ⓘ

Der Grundzustand der meisten Moleküle ist ein Singulett-Zustand, der als S₀ bezeichnet wird. Eine bemerkenswerte Ausnahme ist molekularer Sauerstoff, der einen Triplett-Grundzustand hat. Die Absorption eines Photons der Energie $h\nu _{ex}$ führt zu einem angeregten Zustand mit der gleichen Multiplizität (Spin) wie der Grundzustand, normalerweise ein Singulett (Sn mit n > 0). In Lösung entspannen Zustände mit n > 1 schnell zum niedrigsten Schwingungsniveau des ersten angeregten Zustands (S₁), indem sie Energie an die Lösungsmittelmoleküle durch nicht-strahlende Prozesse übertragen, einschließlich interner Umwandlung, gefolgt von Schwingungsrelaxation, bei der die Energie als Wärme abgeführt wird. Daher geht die Fluoreszenz in der Regel vom ersten angeregten Singulett-Zustand (S₁) aus. Fluoreszenz ist die Emission eines Photons, das die Relaxation des angeregten Zustands zum Grundzustand begleitet. Fluoreszenzphotonen haben eine niedrigere Energie ($h\nu _{em}$) im Vergleich zu der Energie der Photonen, die zur Erzeugung des angeregten Zustands verwendet wurden ($h\nu _{ex}$) ⓘ

• Anregung: $\mathrm {S} _{0}+h\nu _{ex}\to \mathrm {S} _{1}$
• Fluoreszenz (Emission): $\mathrm {S} _{1}\to \mathrm {S} _{0}+h\nu _{em}$

In jedem Fall ist die Photonenenergie $E$ proportional zu ihrer Frequenz $\nu$ gemäß $E=h\nu$, wobei $h$ die Plancksche Konstante ist. ⓘ

Der angeregte Zustand S₁ kann sich durch andere Mechanismen entspannen, die nicht die Emission von Licht beinhalten. Diese Prozesse, die als nicht-strahlende Prozesse bezeichnet werden, konkurrieren mit der Fluoreszenzemission und verringern deren Effizienz. Beispiele hierfür sind die interne Umwandlung, der Übergang zwischen den Systemen in den Triplett-Zustand und die Energieübertragung auf ein anderes Molekül. Ein Beispiel für Energieübertragung ist die Förster-Resonanz-Energieübertragung. Die Relaxation aus einem angeregten Zustand kann auch durch kollisionales Quenching erfolgen, ein Prozess, bei dem ein Molekül (der Quencher) mit dem fluoreszierenden Molekül während seiner Lebensdauer im angeregten Zustand kollidiert. Molekularer Sauerstoff (O₂) ist gerade wegen seines ungewöhnlichen Triplett-Grundzustands ein äußerst effizienter Löscher von Fluoreszenz. ⓘ

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 molekularer 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. ⓘ

Quantenausbeute

Die Fluoreszenzquantenausbeute gibt die Effizienz des Fluoreszenzprozesses an. Sie ist definiert als das Verhältnis zwischen der Anzahl der emittierten Photonen und der Anzahl der absorbierten Photonen. ⓘ

$\Phi ={\frac {\text{Number of photons emitted}}{\text{Number of photons absorbed}}}$ ⓘ

Die maximal mögliche Fluoreszenz-Quantenausbeute beträgt 1,0 (100 %); jedes absorbierte Photon führt zur Emission eines Photons. Verbindungen mit einer Quantenausbeute von 0,10 gelten noch als ziemlich fluoreszierend. Eine andere Möglichkeit, die Quantenausbeute der Fluoreszenz zu definieren, ist die Zerfallsrate des angeregten Zustands:

$\Phi ={\frac {{k}_{f}}{\sum _{i}{k}_{i}}}$ ⓘ

wobei ${k}_{f}$ die Geschwindigkeitskonstante der spontanen Strahlungsemission ist und ⓘ

$\sum _{i}{k}_{i}$ ⓘ

die Summe aller Raten des Zerfalls angeregter Zustände ist. Andere Zerfallsraten angeregter Zustände werden durch andere Mechanismen als die Photonenemission verursacht und werden daher oft als "nicht-radiative Raten" bezeichnet, zu denen folgende gehören können dynamisches kollisionales Quenching, Dipol-Dipol-Wechselwirkung im Nahfeld (oder Resonanzenergietransfer), interne Umwandlung und Kreuzung zwischen Systemen. Ändert sich also die Rate eines der Wege, werden sowohl die Lebensdauer des angeregten Zustands als auch die Fluoreszenzquantenausbeute beeinflusst. ⓘ

Die Fluoreszenzquantenausbeute wird durch Vergleich mit einem Standard gemessen. Das Chininsalz Chininsulfat in schwefelsaurer Lösung galt als gängigster Fluoreszenzstandard. Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab jedoch, dass die Fluoreszenzquantenausbeute dieser Lösung stark von der Temperatur beeinflusst wird und nicht mehr als Standardlösung verwendet werden sollte. Chinin in 0,1M Perchlorsäure (Φ=0,60) zeigt bis zu 45°C keine Temperaturabhängigkeit und kann daher als zuverlässige Standardlösung angesehen werden. ⓘ

Lebensdauer

Jablonski-Diagramm. Nachdem ein Elektron ein hochenergetisches Photon absorbiert hat, wird das System elektronisch und schwingungsmäßig angeregt. Das System entspannt sich schwingungsmäßig und fluoresziert schließlich bei einer längeren Wellenlänge. ⓘ

Die Fluoreszenzlebensdauer bezieht sich auf die durchschnittliche Zeit, die das Molekül in seinem angeregten Zustand bleibt, bevor es ein Photon aussendet. Die Fluoreszenz folgt in der Regel einer Kinetik erster Ordnung:

$\left[S_{1}\right]=\left[S_{1}\right]_{0}e^{-\Gamma t}$ ⓘ

wobei $\left[S_{1}\right]$ ist die Konzentration der Moleküle im angeregten Zustand zum Zeitpunkt $t$, $\left[S_{1}\right]_{0}$ die Anfangskonzentration ist und $\Gamma$ ist die Abklingrate oder der Kehrwert der Fluoreszenzlebensdauer. Dies ist ein Fall von exponentiellem Zerfall. Verschiedene strahlende und nichtstrahlende Prozesse können den angeregten Zustand entvölkern. In diesem Fall ist die Gesamtzerfallsrate die Summe aller Raten:

$\Gamma _{tot}=\Gamma _{rad}+\Gamma _{nrad}$ ⓘ

wobei $\Gamma _{tot}$ ist die Gesamtzerfallsrate, $\Gamma _{rad}$ die Strahlungszerfallsrate und $\Gamma _{nrad}$ die nicht-strahlende Zerfallsrate. Es ist vergleichbar mit einer chemischen Reaktion erster Ordnung, bei der die Geschwindigkeitskonstante erster Ordnung die Summe aller Geschwindigkeiten ist (ein paralleles kinetisches Modell). Wenn die Rate der spontanen Emission oder eine der anderen Raten schnell ist, ist die Lebensdauer kurz. Bei häufig verwendeten fluoreszierenden Verbindungen liegen die typischen Abklingzeiten der angeregten Zustände für Photonenemissionen mit Energien vom UV-Bereich bis zum nahen Infrarot im Bereich von 0,5 bis 20 Nanosekunden. Die Fluoreszenzlebensdauer ist ein wichtiger Parameter für praktische Anwendungen der Fluoreszenz wie den Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer und die Fluoreszenz-Lebensdauer-Bildmikroskopie. ⓘ

Jablonski-Diagramm

Das Jablonski-Diagramm beschreibt die meisten Relaxationsmechanismen für Moleküle im angeregten Zustand. Das nebenstehende Diagramm zeigt, wie Fluoreszenz durch die Relaxation bestimmter angeregter Elektronen eines Moleküls entsteht. ⓘ

Fluoreszenz-Anisotropie

Fluorophore werden mit größerer Wahrscheinlichkeit durch Photonen angeregt, wenn das Übergangsmoment des Fluorophors parallel zum elektrischen Vektor des Photons liegt. Die Polarisation des emittierten Lichts hängt ebenfalls vom Übergangsmoment ab. Das Übergangsmoment ist abhängig von der physikalischen Ausrichtung des Fluorophormoleküls. Für Fluorophore in Lösung bedeutet dies, dass die Intensität und Polarisation des emittierten Lichts von der Rotationsdiffusion abhängig ist. Daher kann mit Hilfe von Anisotropiemessungen untersucht werden, wie frei sich ein fluoreszierendes Molekül in einer bestimmten Umgebung bewegt. ⓘ

Die Fluoreszenzanisotropie kann quantitativ definiert werden als

$r={I_{\parallel }-I_{\perp } \over I_{\parallel }+2I_{\perp }}$

wobei $I_{\parallel }$ ist die emittierte Intensität parallel zur Polarisation des Anregungslichts und $I_{\perp }$ ist die emittierte Intensität senkrecht zur Polarisation des Anregungslichts. ⓘ

Fluoreszenz

Fluoreszierender Sicherheitsstreifen in einer US-Zwanzig-Dollar-Note unter UV-Licht ⓘ

Stark fluoreszierende Pigmente haben oft ein ungewöhnliches Aussehen, das umgangssprachlich oft als "Neonfarbe" (ursprünglich "Day-Glo" in den späten 1960er, frühen 1970er Jahren) bezeichnet wird. Dieses Phänomen wurde von Hermann von Helmholtz als "Farbenglut" und von Ralph M. Evans als "Fluorenz" bezeichnet. Im Allgemeinen geht man davon aus, dass es mit der hohen Helligkeit der Farbe im Vergleich zu derjenigen, die sie als Bestandteil von Weiß hätte, zusammenhängt. Bei der Fluoreszenz verschiebt sich die Energie des einfallenden Lichts von kürzeren zu längeren Wellenlängen (z. B. von Blau zu Gelb), wodurch die fluoreszierende Farbe heller (gesättigter) erscheinen kann, als sie es durch Reflexion allein sein könnte. ⓘ

Regeln

Es gibt mehrere allgemeine Regeln für die Fluoreszenz. Jede der folgenden Regeln hat Ausnahmen, aber sie sind nützliche Richtlinien für das Verständnis der Fluoreszenz (diese Regeln gelten nicht unbedingt für die Zwei-Photonen-Absorption). ⓘ

Kaschas Regel

Die Kascha-Regel besagt, dass die Quantenausbeute der Lumineszenz unabhängig von der Wellenlänge der anregenden Strahlung ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass angeregte Moleküle in der Regel auf das niedrigste Schwingungsniveau des angeregten Zustands abfallen, bevor die Fluoreszenzemission stattfindet. Die Kasha-Vavilov-Regel gilt nicht immer und wird bei vielen einfachen Molekülen stark verletzt. Eine etwas verlässlichere Aussage, wenn auch immer noch mit Ausnahmen, wäre, dass das Fluoreszenzspektrum nur eine sehr geringe Abhängigkeit von der Wellenlänge der anregenden Strahlung aufweist. ⓘ

Spiegelbildliche Regel

Bei vielen Fluorophoren ist das Absorptionsspektrum ein Spiegelbild des Emissionsspektrums. Dies ist als Spiegelbildregel bekannt und hängt mit dem Franck-Condon-Prinzip zusammen, das besagt, dass elektronische Übergänge vertikal verlaufen, d. h., dass sich die Energie ändert, ohne dass sich der Abstand ändert, was durch eine vertikale Linie im Jablonski-Diagramm dargestellt werden kann. Das bedeutet, dass sich der Kern nicht bewegt und die Schwingungsniveaus des angeregten Zustands den Schwingungsniveaus des Grundzustands ähneln. ⓘ

Stokes-Verschiebung

Im Allgemeinen hat das emittierte Fluoreszenzlicht eine längere Wellenlänge und eine geringere Energie als das absorbierte Licht. Dieses Phänomen, das als Stokes-Verschiebung bezeichnet wird, ist auf den Energieverlust zwischen der Absorption eines Photons und der Emission eines neuen Photons zurückzuführen. Die Ursachen und das Ausmaß der Stokes-Verschiebung können komplex sein und hängen von dem Fluorophor und seiner Umgebung ab. Es gibt jedoch einige allgemeine Ursachen. Sie ist häufig auf den nicht-strahlenden Zerfall zum niedrigsten Schwingungsenergieniveau des angeregten Zustands zurückzuführen. Ein weiterer Faktor ist, dass die Emission von Fluoreszenz ein Fluorophor häufig in einem höheren Schwingungsniveau des Grundzustands belässt. ⓘ

In der Natur

Fluoreszierende Korallen ⓘ

Es gibt viele natürliche Verbindungen, die Fluoreszenz aufweisen, und es gibt eine Reihe von Anwendungen für sie. Einige Tiefseetiere, wie z. B. der Grünaugenfisch, haben fluoreszierende Strukturen. ⓘ

Im Vergleich zur Biolumineszenz und Biophosphoreszenz

Fluoreszenz

Fluoreszenz ist das Phänomen der Absorption von elektromagnetischer Strahlung, typischerweise von ultraviolettem oder sichtbarem Licht, durch ein Molekül und die anschließende Emission eines Photons mit geringerer Energie (kleinere Frequenz, längere Wellenlänge). Dies bewirkt, dass das emittierte Licht eine andere Farbe hat als das absorbierte Licht. Stimulierendes Licht regt ein Elektron zu einem angeregten Zustand an. Wenn das Molekül in den Grundzustand zurückkehrt, setzt es ein Photon frei, das die Fluoreszenzemission darstellt. Die Lebensdauer des angeregten Zustands ist kurz, so dass die Lichtemission in der Regel nur dann zu beobachten ist, wenn das absorbierende Licht eingeschaltet ist. Die Fluoreszenz kann bei jeder Wellenlänge auftreten, ist aber oft bedeutsamer, wenn die emittierten Photonen im sichtbaren Spektrum liegen. Wenn sie in einem lebenden Organismus auftritt, wird sie manchmal als Biofluoreszenz bezeichnet. Fluoreszenz ist nicht mit Biolumineszenz und Biophosphoreszenz zu verwechseln. Kürbiskröten, die im brasilianischen Atlantikwald leben, sind fluoreszierend. ⓘ

Biolumineszenz

Biolumineszenz unterscheidet sich von Fluoreszenz durch die natürliche Erzeugung von Licht durch chemische Reaktionen innerhalb eines Organismus, während Fluoreszenz die Absorption und Wiederabgabe von Licht aus der Umgebung ist. Glühwürmchen und Seeteufel sind zwei Beispiele für biolumineszente Organismen. Um die Verwirrung noch zu vergrößern, gibt es Organismen, die sowohl biolumineszierend als auch fluoreszierend sind, wie das Seestiefmütterchen Renilla reniformis, bei dem die Biolumineszenz als Lichtquelle für die Fluoreszenz dient. ⓘ

Phosphoreszenz

Die Phosphoreszenz ist der Fluoreszenz insofern ähnlich, als sie Lichtwellenlängen als Quelle der Anregungsenergie benötigt. Der Unterschied liegt hier in der relativen Stabilität des angeregten Elektrons. Anders als bei der Fluoreszenz bleibt das Elektron bei der Phosphoreszenz stabil und sendet Licht aus, das auch dann noch "im Dunkeln leuchtet", wenn die anregende Lichtquelle entfernt wurde. So sind zum Beispiel im Dunkeln leuchtende Aufkleber phosphoreszierend, aber es sind keine wirklich biophosphoreszierenden Tiere bekannt. ⓘ

Mechanismen

Epidermale Chromatophoren

Pigmentzellen, die Fluoreszenz zeigen, werden als fluoreszierende Chromatophoren bezeichnet und funktionieren somatisch ähnlich wie normale Chromatophoren. Diese Zellen sind dendritisch und enthalten Pigmente, die als Fluorosomen bezeichnet werden. Diese Pigmente enthalten fluoreszierende Proteine, die durch K+ (Kalium)-Ionen aktiviert werden, und ihre Bewegung, Aggregation und Verteilung innerhalb des fluoreszierenden Chromatophors bewirkt eine gerichtete Fluoreszenzmusterung. Fluoreszierende Zellen werden genauso innerviert wie andere Chromatophoren, z. B. Melanophoren, Pigmentzellen, die Melanin enthalten. Die kurzfristige Fluoreszenzmusterung und -signalisierung wird durch das Nervensystem gesteuert. Fluoreszierende Chromatophoren finden sich in der Haut (z. B. bei Fischen) direkt unter der Epidermis, neben anderen Chromatophoren. ⓘ

Epidermale fluoreszierende Zellen bei Fischen reagieren auch auf hormonelle Reize durch die Hormone α-MSH und MCH, ähnlich wie Melanophore. Dies deutet darauf hin, dass fluoreszierende Zellen im Laufe des Tages Farbveränderungen aufweisen, die mit ihrem zirkadianen Rhythmus übereinstimmen. Möglicherweise reagieren die Fische auch empfindlich auf cortisolbedingte Stressreaktionen auf Umweltreize wie die Interaktion mit einem Raubtier oder die Durchführung eines Paarungsrituals. ⓘ

Phylogenetik

Evolutionäre Ursprünge

Das Auftreten von Fluoreszenz im Stammbaum des Lebens ist weit verbreitet und wurde am ausführlichsten bei Nesseltieren und Fischen untersucht. Das Phänomen scheint sich in mehreren Taxa mehrfach entwickelt zu haben, z. B. bei den Anguilliformes (Aale), den Gobioidei (Grundeln und Kardinalfische) und den Tetradontiformes (Drückerfische) sowie bei den anderen Taxa, die später in diesem Artikel behandelt werden. Die Fluoreszenz ist selbst innerhalb von Ökosystemen genotypisch und phänotypisch sehr variabel, was die emittierten Wellenlängen, die gezeigten Muster und die Intensität der Fluoreszenz angeht. Im Allgemeinen weisen die Arten, die auf Tarnung angewiesen sind, die größte Fluoreszenzvielfalt auf, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass die Fluoreszenz unter anderem der Tarnung dient. ⓘ

Die Fluoreszenz hat mehrere Ursprünge im Stammbaum des Lebens. Dieses Diagramm zeigt die Ursprünge innerhalb der Aktinopterygier (Fische mit Strahlenflossen). ⓘ

Einige Wissenschaftler vermuten, dass GFPs und GFP-ähnliche Proteine ursprünglich Elektronendonatoren waren, die durch Licht aktiviert wurden. Diese Elektronen wurden dann für Reaktionen verwendet, die Lichtenergie benötigen. Es wird angenommen, dass sich die Funktionen der fluoreszierenden Proteine, wie z. B. der Schutz vor der Sonne, die Umwandlung von Licht in verschiedene Wellenlängen oder die Signalgebung, sekundär entwickelt haben. ⓘ

Adaptive Funktionen

Derzeit ist relativ wenig über die funktionelle Bedeutung von Fluoreszenz und fluoreszierenden Proteinen bekannt. Es wird jedoch vermutet, dass Fluoreszenz wichtige Funktionen bei der Signalgebung und Kommunikation, bei der Paarung, als Köder, zur Tarnung, zum UV-Schutz und zur Antioxidation, zur Photoakklimatisierung, zur Regulierung von Dinoflagellaten und für die Gesundheit von Korallen haben könnte. ⓘ

Wasser

Wasser absorbiert Licht mit langen Wellenlängen, so dass weniger Licht dieser Wellenlängen zurückreflektiert wird und das Auge erreicht. Daher erscheinen warme Farben aus dem visuellen Lichtspektrum mit zunehmender Tiefe weniger lebhaft. Wasser streut Licht kürzerer Wellenlängen oberhalb von Violett, so dass kühlere Farben das Gesichtsfeld in der photischen Zone dominieren. Die Lichtintensität nimmt mit jeder Tiefe von 75 m um das 10-fache ab, d. h. in 75 m Tiefe ist das Licht 10 % so intensiv wie an der Oberfläche und in 150 m Tiefe nur noch 1 % so intensiv wie an der Oberfläche. Da das Wasser die Wellenlängen und die Intensität des Lichts bis zu einer bestimmten Tiefe herausfiltert, sind verschiedene Proteine aufgrund der Wellenlängen und der Intensität des Lichts, das sie absorbieren können, für verschiedene Tiefen besser geeignet. Theoretisch können einige Fischaugen Licht bis zu einer Tiefe von 1000 m wahrnehmen. In diesen Tiefen der aphotischen Zone sind die einzigen Lichtquellen die Organismen selbst, die durch chemische Reaktionen in einem Prozess, der Biolumineszenz genannt wird, Licht abgeben. ⓘ

Fluoreszenz ist einfach definiert als die Absorption von elektromagnetischer Strahlung bei einer Wellenlänge und ihre Reemission bei einer anderen, weniger energiereichen Wellenlänge. Jede Art von Fluoreszenz hängt also von der Anwesenheit externer Lichtquellen ab. Biologisch funktionelle Fluoreszenz findet sich in der photischen Zone, wo nicht nur genügend Licht vorhanden ist, um Fluoreszenz zu verursachen, sondern auch genügend Licht für andere Organismen, um sie zu erkennen. Das Gesichtsfeld in der photischen Zone ist von Natur aus blau, so dass Fluoreszenzfarben als helle Rot-, Orange-, Gelb- und Grüntöne wahrgenommen werden können. Grün ist die am häufigsten vorkommende Farbe im Meeresspektrum, Gelb die zweithäufigste, Orange die dritthäufigste, und Rot ist die seltenste. Fluoreszenz kann bei Organismen in der aphotischen Zone als Nebenprodukt der Biolumineszenz dieser Organismen auftreten. Einige Fluoreszenzen in der aphotischen Zone sind lediglich ein Nebenprodukt der Gewebebiochemie des Organismus und haben keinen funktionellen Zweck. Die funktionelle und adaptive Bedeutung der Fluoreszenz in der aphotischen Zone der Tiefsee ist jedoch ein aktives Forschungsgebiet. ⓘ

Photische Zone

Fisch

Fluoreszierende Meeresfische ⓘ

Knochenfische, die im flachen Wasser leben, haben im Allgemeinen ein gutes Farbsehvermögen, da sie in einer farbenfrohen Umgebung leben. Daher dient die rote, orangefarbene und grüne Fluoreszenz bei Flachwasserfischen höchstwahrscheinlich als Mittel zur Kommunikation mit Artgenossen, insbesondere angesichts der großen phänotypischen Varianz dieses Phänomens. ⓘ

Viele Fische, die fluoreszieren, wie Haie, Eidechsenfische, Skorpionfische, Lippfische und Plattfische, besitzen auch gelbe Augenfilter. Gelbe intraokulare Filter in den Linsen und der Hornhaut bestimmter Fische fungieren als Langpassfilter. Diese Filter ermöglichen es den betreffenden Arten, Fluoreszenz sichtbar zu machen und potenziell zu nutzen, um visuelle Kontraste und Muster zu verstärken, die für andere Fische und Raubtiere, denen diese visuelle Spezialisierung fehlt, nicht sichtbar sind. Fische, die die für die Wahrnehmung von Fluoreszenz erforderlichen gelben intraokularen Filter besitzen, nutzen potenziell ein Lichtsignal von Mitgliedern dieser Art aus. Die Fluoreszenzmusterung war besonders ausgeprägt bei kryptisch gemusterten Fischen, die eine komplexe Tarnung besitzen. Viele dieser Arten besitzen auch gelbe Langpassfilter im Augeninneren, mit denen solche Muster sichtbar gemacht werden können. ⓘ

Eine weitere adaptive Nutzung der Fluoreszenz besteht darin, aus dem blauen Umgebungslicht der photischen Zone oranges und rotes Licht zu erzeugen, um das Sehen zu erleichtern. Rotes Licht kann aufgrund der Abschwächung roter Lichtwellenlängen durch das Wasser nur über kurze Entfernungen gesehen werden. Viele Fischarten, die fluoreszieren, sind klein, leben in Gruppen oder sind benthisch/aphotisch und haben eine auffällige Musterung. Diese Musterung wird durch fluoreszierendes Gewebe verursacht und ist für andere Mitglieder der Art sichtbar, bei anderen visuellen Spektren ist die Musterung jedoch unsichtbar. Diese intraspezifischen Fluoreszenzmuster fallen auch mit der innerartlichen Signalübertragung zusammen. Die Muster in den Augenringen zeigen an, in welche Richtung ein Individuum schaut, und entlang der Flossen, in welche Richtung es sich bewegt. Die aktuelle Forschung vermutet, dass diese rote Fluoreszenz der privaten Kommunikation zwischen Mitgliedern der gleichen Art dient. Da in den Tiefen des Ozeans blaues Licht überwiegt, werden rotes Licht und Licht längerer Wellenlängen verwechselt, und viele räuberische Rifffische sind für Licht dieser Wellenlängen wenig bis gar nicht empfänglich. Fische wie der Feen-Lippfisch, die eine visuelle Empfindlichkeit für längere Wellenlängen entwickelt haben, sind in der Lage, rote Fluoreszenzsignale auszusenden, die einen starken Kontrast zur blauen Umgebung bilden und für Artgenossen in kurzer Entfernung auffällig sind, während sie für andere Fische, die eine geringere Empfindlichkeit für lange Wellenlängen haben, relativ unsichtbar sind. Somit kann Fluoreszenz bei Rifffischen als adaptives Signal und zur Kommunikation innerhalb der Arten genutzt werden. ⓘ

Darüber hinaus wird vermutet, dass fluoreszierende Gewebe, die die Augen eines Organismus umgeben, dazu dienen, blaues Licht aus der photischen Zone oder grüne Biolumineszenz in der aphotischen Zone in rotes Licht umzuwandeln, um das Sehen zu erleichtern. ⓘ

Haie

Bei zwei Haiarten wurde ein neuer Fluorophor beschrieben, der auf eine bisher unbeschriebene Gruppe von bromierten Tryptophan-Kynurenin-Stoffwechselprodukten zurückzuführen ist. ⓘ

Korallen

Fluoreszenz erfüllt in Korallen eine Vielzahl von Funktionen. Fluoreszierende Proteine in Korallen können zur Photosynthese beitragen, indem sie ansonsten unbrauchbare Wellenlängen des Lichts in solche umwandeln, mit denen die symbiotischen Algen der Koralle Photosynthese betreiben können. Außerdem kann die Anzahl der Proteine schwanken, je nachdem, ob mehr oder weniger Licht zur Verfügung steht, um sich an das Licht anzupassen. Ebenso könnten diese fluoreszierenden Proteine antioxidative Fähigkeiten besitzen, um die bei der Photosynthese entstehenden Sauerstoffradikale zu eliminieren. Schließlich können die fluoreszierenden Proteine durch die Modulation der Photosynthese auch als Mittel zur Regulierung der Aktivität der photosynthetischen Algensymbionten der Koralle dienen. ⓘ

Kopffüßer

Alloteuthis subulata und Loligo vulgaris, zwei Arten von fast durchsichtigen Tintenfischen, haben fluoreszierende Flecken über ihren Augen. Diese Flecken reflektieren einfallendes Licht, was zur Tarnung dienen kann, aber auch als Signal für andere Tintenfische, die sie zur Schule schicken. ⓘ

Quallen

Aequoria victoria, biofluoreszierende Qualle, bekannt für GFP ⓘ

Ein weiteres, gut untersuchtes Beispiel für Fluoreszenz im Meer ist die Hydrozoa Aequorea victoria. Diese Qualle lebt in der photischen Zone vor der Westküste Nordamerikas und wurde von Osamu Shimomura als Träger des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) identifiziert. Das Gen für diese grün fluoreszierenden Proteine wurde isoliert und ist von wissenschaftlicher Bedeutung, da es in genetischen Studien häufig verwendet wird, um die Expression anderer Gene anzuzeigen. ⓘ

Fangschreckenkrebse

Mehrere Arten von Fangschreckenkrebsen, die zu den Stomatopoden gehören, darunter Lysiosquillina glabriuscula, haben gelb fluoreszierende Markierungen entlang ihrer Antennenschuppen und ihres Panzers, die die Männchen bei der Bedrohung durch Raubtiere und andere Männchen zeigen. Dabei heben sie Kopf und Thorax an, spreizen die auffälligen Gliedmaßen und andere Maxillipeden und strecken die auffälligen, ovalen Antennenschuppen seitlich aus, wodurch das Tier größer erscheint und seine gelb fluoreszierenden Markierungen hervorgehoben werden. Außerdem macht die Fluoreszenz der Fangschreckenkrebse mit zunehmender Tiefe einen größeren Teil des verfügbaren sichtbaren Lichts aus. Während des Paarungsrituals fluoreszieren die Fangschreckenkrebse aktiv, und die Wellenlänge dieser Fluoreszenz entspricht den Wellenlängen, die von ihren Augenpigmenten erfasst werden. ⓘ

Aphotische Zone

Siphonophoren

Siphonophoren sind eine Ordnung von Meerestieren aus dem Stamm der Hydrozoen, die aus einem spezialisierten Medusoid und einem Polypenzooid bestehen. Einige Siphonophoren, darunter die Gattung Erenna, die in der aphotischen Zone zwischen 1600 m und 2300 m Tiefe leben, zeigen eine gelbe bis rote Fluoreszenz in den Photophoren ihrer tentakelartigen Tentillen. Diese Fluoreszenz entsteht als Nebenprodukt der Biolumineszenz dieser Photophoren. Die Siphonophoren zeigen die Fluoreszenz in einem bewegten Muster, das als Köder zum Anlocken von Beutetieren dient. ⓘ

Drachenkopf

Die räuberischen Tiefseedrachenfische Malacosteus niger, die eng verwandte Gattung Aristostomias und die Art Pachystomias microdon verwenden rot fluoreszierende akzessorische Pigmente, um das blaue Licht ihrer eigenen Biolumineszenz in rotes Licht aus suborbitalen Photophoren umzuwandeln. Diese rote Lumineszenz ist für andere Tiere unsichtbar, wodurch diese Drachenfische in dunklen Meerestiefen zusätzliches Licht erhalten, ohne Raubtiere anzulocken oder zu signalisieren. ⓘ

Terrestrisch

Amphibien

Fluoreszierender gepunkteter Laubfrosch unter UV-Licht ⓘ

Fluoreszenz ist bei Amphibien weit verbreitet und wurde bei mehreren Frosch-, Salamander- und Caecilia-Familien nachgewiesen, allerdings in sehr unterschiedlichem Ausmaß. ⓘ

Der gepunktete Laubfrosch (Hypsiboas punctatus), der in Südamerika weit verbreitet ist, wurde 2017 unbeabsichtigt als erste fluoreszierende Amphibie entdeckt. Die Fluoreszenz wurde auf eine neue Verbindung zurückgeführt, die in der Lymphe und den Hautdrüsen gefunden wurde. Die wichtigste fluoreszierende Verbindung heißt Hyloin-L1 und leuchtet blau-grün, wenn sie violettem oder ultraviolettem Licht ausgesetzt wird. Die Wissenschaftler, die hinter dieser Entdeckung stehen, vermuten, dass die Fluoreszenz zur Kommunikation genutzt werden kann. Sie spekulierten, dass die Fluoreszenz bei Fröschen möglicherweise relativ weit verbreitet ist. Nur wenige Monate später wurde die Fluoreszenz auch bei dem eng verwandten Hypsiboas atlanticus entdeckt. Da sie mit Sekreten aus Hautdrüsen verbunden ist, können sie auch fluoreszierende Markierungen auf Oberflächen hinterlassen, auf denen sie sich aufgehalten haben. ⓘ

Im Jahr 2019 wurde bei zwei weiteren Fröschen, der kleinen Kürbiskröte (Brachycephalus ephippium) und der roten Kürbiskröte (B. pitanga) aus dem Südosten Brasiliens, festgestellt, dass sie von Natur aus fluoreszierende Skelette haben, die durch ihre Haut hindurch sichtbar sind, wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt werden. Ursprünglich wurde spekuliert, dass die Fluoreszenz ihre ohnehin schon aposematischen Farben ergänzt (sie sind giftig) oder dass sie mit der Partnerwahl zusammenhängt (Erkennung der Art oder Bestimmung der Fitness eines potenziellen Partners), aber spätere Studien deuten darauf hin, dass die erstere Erklärung unwahrscheinlich ist, da Raubversuche an den Kröten durch das Vorhandensein oder Fehlen der Fluoreszenz offenbar nicht beeinflusst werden. ⓘ

Im Jahr 2020 wurde bestätigt, dass die grüne oder gelbe Fluoreszenz nicht nur bei erwachsenen Fröschen, die blauem oder ultraviolettem Licht ausgesetzt sind, weit verbreitet ist, sondern auch bei Kaulquappen, Salamandern und Zaunkönigen. Das Ausmaß ist je nach Art sehr unterschiedlich; bei einigen ist es sehr ausgeprägt, bei anderen kaum wahrnehmbar. Sie kann auf der Hautpigmentierung, den Schleimhäuten oder den Knochen beruhen. ⓘ

Schmetterlinge

Schwalbenschwanzfalter (Papilio) verfügen über ein komplexes System zur Emission von Fluoreszenzlicht. Ihre Flügel enthalten mit Pigmenten durchsetzte Kristalle, die gerichtetes Fluoreszenzlicht erzeugen. Diese Kristalle funktionieren so, dass sie am besten fluoreszierendes Licht erzeugen, wenn sie Strahlung von himmelblauem Licht (Wellenlänge etwa 420 nm) absorbieren. Die Wellenlängen des Lichts, die die Schmetterlinge am besten sehen, entsprechen dem Absorptionsvermögen der Kristalle in den Flügeln der Schmetterlinge. Dies dient wahrscheinlich dazu, die Fähigkeit zur Signalgebung zu verbessern. ⓘ

Papageien

Papageien haben ein fluoreszierendes Gefieder, das möglicherweise zur Partnersuche genutzt wird. Eine Studie mit Experimenten zur Partnerwahl bei Wellensittichen (Melopsittacus undulates) ergab, dass fluoreszierende Signale für die Sexualpartnerschaft überzeugend sind, da sowohl Männchen als auch Weibchen Vögel mit dem fluoreszierenden experimentellen Stimulus deutlich bevorzugten. Diese Studie legt nahe, dass das fluoreszierende Gefieder von Papageien nicht einfach ein Nebenprodukt der Pigmentierung ist, sondern ein angepasstes sexuelles Signal. In Anbetracht der komplizierten Wege, auf denen fluoreszierende Pigmente produziert werden, könnten damit erhebliche Kosten verbunden sein. Daher können Individuen, die eine starke Fluoreszenz aufweisen, ehrliche Indikatoren für eine hohe individuelle Qualität sein, da sie die damit verbundenen Kosten auf sich nehmen können. ⓘ

Spinnentiere

Fluoreszierender Skorpion ⓘ

Spinnen fluoreszieren unter UV-Licht und verfügen über eine große Vielfalt an Fluorophoren. Bemerkenswerterweise sind Spinnen die einzige bekannte Gruppe, in der Fluoreszenz "taxonomisch weit verbreitet, variabel ausgeprägt, evolutionär labil und wahrscheinlich unter Selektion und potenziell von ökologischer Bedeutung für die intraspezifische und interspezifische Signalübertragung" ist. Eine Studie von Andrews et al. (2007) zeigt, dass sich die Fluoreszenz bei verschiedenen Spinnentaxa mehrfach entwickelt hat, wobei sich im Laufe der Diversifizierung der Spinnen neue Fluorophore herausbildeten. Bei einigen Spinnen sind ultraviolette Signale wichtig für die Interaktion zwischen Räuber und Beute, die innerartliche Kommunikation und die Tarnung mit passenden fluoreszierenden Blüten. Unterschiedliche ökologische Kontexte könnten die Hemmung oder Verstärkung der Fluoreszenzausprägung begünstigen, je nachdem, ob die Fluoreszenz den Spinnen hilft, kryptisch zu sein oder sie für Fressfeinde auffälliger macht. Daher könnte die natürliche Selektion auf die Ausprägung der Fluoreszenz bei verschiedenen Spinnenarten wirken. ⓘ

Skorpione sind auch fluoreszierend, da sie Beta-Carbolin in ihren Häuten haben. ⓘ

Schnabeltier

Im Jahr 2020 wurde über die Fluoreszenz mehrerer Schnabeltier-Exemplare berichtet. ⓘ

Pflanzen

Viele Pflanzen sind aufgrund des Chlorophylls fluoreszierend. Chlorophyll ist wahrscheinlich das am weitesten verbreitete fluoreszierende Molekül, das bei einer Reihe von Anregungswellenlängen rote Emissionen erzeugt. Diese Eigenschaft des Chlorophylls wird von Ökologen häufig zur Messung der photosynthetischen Effizienz verwendet. ⓘ

Die Blüte von Mirabilis jalapa enthält violette, fluoreszierende Betacyanine und gelbe, fluoreszierende Betaxanthine. Unter weißem Licht erscheinen Teile der Blüte, die nur Betaxanthine enthalten, gelb, aber in Bereichen, in denen sowohl Betaxanthine als auch Betacyanine vorhanden sind, ist die sichtbare Fluoreszenz der Blüte aufgrund interner Lichtfilterungsmechanismen verblasst. Früher wurde vermutet, dass die Fluoreszenz eine Rolle bei der Anlockung von Bestäubern spielt. Später wurde jedoch festgestellt, dass das visuelle Signal der Fluoreszenz im Vergleich zum visuellen Signal des von der Blüte reflektierten Lichts vernachlässigbar ist. ⓘ

Abiotisch

Edelsteinkunde, Mineralogie und Geologie

Fluoreszenz von Aragonit ⓘ

Edelsteine, Mineralien, können eine ausgeprägte Fluoreszenz aufweisen oder unter kurzwelligem ultraviolettem, langwelligem ultraviolettem, sichtbarem Licht oder Röntgenstrahlen unterschiedlich fluoreszieren. ⓘ

Viele Arten von Kalzit und Bernstein fluoreszieren unter kurzwelligem UV, langwelligem UV und sichtbarem Licht. Rubine, Smaragde und Diamanten zeigen rote Fluoreszenz unter langwelligem UV-, blauem und manchmal grünem Licht; Diamanten leuchten auch unter Röntgenstrahlung. ⓘ

Die Fluoreszenz in Mineralien wird durch eine Vielzahl von Aktivatoren hervorgerufen. In einigen Fällen muss die Konzentration des Aktivators auf ein bestimmtes Niveau begrenzt werden, um ein Auslöschen der Fluoreszenzemission zu verhindern. Außerdem muss das Mineral frei von Verunreinigungen wie Eisen oder Kupfer sein, um ein Auslöschen der möglichen Fluoreszenz zu verhindern. Zweiwertiges Mangan ist in Konzentrationen von bis zu mehreren Prozent für die rote oder orangefarbene Fluoreszenz von Calcit, die grüne Fluoreszenz von Willemit, die gelbe Fluoreszenz von Esperit und die orangefarbene Fluoreszenz von Wollastonit und Clinohedrit verantwortlich. Sechswertiges Uran, in Form des Uranylkations (UO²⁺
₂), fluoresziert in allen Konzentrationen gelbgrün und ist die Ursache für die Fluoreszenz von Mineralien wie Autunit oder Andersonit und bei niedriger Konzentration für die Fluoreszenz von Materialien wie einigen Proben von Hyalit-Opal. Dreiwertiges Chrom in geringer Konzentration ist die Quelle der roten Fluoreszenz von Rubin. Zweiwertiges Europium ist die Ursache für die blaue Fluoreszenz des Minerals Fluorit. Dreiwertige Lanthanoide wie Terbium und Dysprosium sind die Hauptverursacher der cremegelben Fluoreszenz der Yttrofluorit-Variante des Minerals Fluorit und tragen zur orangefarbenen Fluoreszenz von Zirkon bei. Powellit (Calciummolybdat) und Scheelit (Calciumwolframat) fluoreszieren von sich aus gelb bzw. blau. Bei gemeinsamer Anwesenheit in fester Lösung wird Energie vom energiereicheren Wolfram auf das energieärmere Molybdän übertragen, so dass schon relativ geringe Mengen an Molybdän ausreichen, um Scheelit nicht blau, sondern gelb leuchten zu lassen. Eisenarmes Sphalerit (Zinksulfid) fluoresziert und phosphoresziert in einer Reihe von Farben, die durch das Vorhandensein verschiedener Spurenverunreinigungen beeinflusst werden. ⓘ

Rohöl (Erdöl) fluoresziert in einer Reihe von Farben, von stumpf-braun für schwere Öle und Teere bis hin zu hell-gelblich und bläulich-weiß für sehr leichte Öle und Kondensate. Dieses Phänomen wird bei Ölexplorationsbohrungen genutzt, um sehr kleine Ölmengen in Bohrklein und Kernproben zu identifizieren. ⓘ

Huminsäuren und Fulvosäuren, die durch den Abbau organischer Stoffe in Böden (Humus) entstehen, können ebenfalls fluoreszieren, da in ihren komplexen Molekularstrukturen aromatische Zyklen enthalten sind. Im Grundwasser gelöste Huminstoffe können durch Spektrofluorimetrie nachgewiesen und charakterisiert werden. ⓘ

Fluoreszierende Minerale ⓘ

Auch in der Paläontologie nutzt man Fluoreszenz zum Auffinden und zur Untersuchung zahlreicher Fossilien. ⓘ

Organische Flüssigkeiten

Organische Lösungen wie Anthracen oder Stilben, die in Benzol oder Toluol gelöst sind, fluoreszieren bei UV- oder Gammastrahlenbestrahlung. Die Abklingzeiten dieser Fluoreszenz liegen in der Größenordnung von Nanosekunden, da die Dauer des Lichts von der Lebensdauer der angeregten Zustände des fluoreszierenden Materials, in diesem Fall Anthracen oder Stilben, abhängt. ⓘ

Unter Szintillation versteht man einen Lichtblitz, der in einem transparenten Material durch den Durchgang eines Teilchens (Elektron, Alphateilchen, Ion oder hochenergetisches Photon) erzeugt wird. Stilben und seine Derivate werden in Szintillationszählern zum Nachweis solcher Teilchen verwendet. Stilben ist auch eines der Verstärkungsmedien, die in Farbstofflasern verwendet werden. ⓘ

Atmosphäre

Fluoreszenz wird in der Atmosphäre beobachtet, wenn die Luft einem energiereichen Elektronenbeschuss ausgesetzt ist. In Fällen wie dem natürlichen Polarlicht, Atomexplosionen in großer Höhe und Experimenten mit Elektronenkanonen in Raketen reagieren die gebildeten Moleküle und Ionen fluoreszierend auf Licht. ⓘ

Häufige fluoreszierende Stoffe

• Vitamin B2 fluoresziert gelb.
• Tonic Water fluoresziert blau, da es Chinin enthält.
• Die Tinte von Textmarkern fluoresziert häufig aufgrund des Vorhandenseins von Pyranin.
• Geldscheine, Briefmarken und Kreditkarten haben oft fluoreszierende Sicherheitsmerkmale. ⓘ

In neuer Technologie

Im August 2020 berichteten Forscher über die Herstellung der bisher hellsten fluoreszierenden optischen Festkörper, indem sie die Übertragung der Eigenschaften stark fluoreszierender Farbstoffe durch räumliche und elektronische Isolierung der Farbstoffe ermöglichten, indem sie kationische Farbstoffe mit anionenbindenden Cyanostar-Makrozyklen mischten. Einem Mitautor zufolge könnten diese Materialien in Bereichen wie Solarenergiegewinnung, Bioimaging und Laser Anwendung finden. ⓘ

Anwendungen

Beleuchtung

Fluoreszierende Farbe und Kunststoff, beleuchtet mit UV-A-Lampen (Schwarzlicht). Gemälde von Beo Beyond. ⓘ

Die herkömmliche Leuchtstofflampe basiert auf Fluoreszenz. Im Inneren der Glasröhre herrscht ein Teilvakuum und eine geringe Menge Quecksilber. Eine elektrische Entladung in der Röhre bringt die Quecksilberatome dazu, hauptsächlich ultraviolettes Licht auszustrahlen. Die Röhre ist mit einer Beschichtung aus einem fluoreszierenden Material, dem so genannten Leuchtstoff, ausgekleidet, der ultraviolettes Licht absorbiert und sichtbares Licht wieder aussendet. Leuchtstoffröhren sind energieeffizienter als Glühbirnen. Das ungleichmäßige Spektrum herkömmlicher Leuchtstofflampen kann jedoch dazu führen, dass bestimmte Farben anders erscheinen als bei der Beleuchtung mit Glühbirnen oder Tageslicht. Das Emissionsspektrum von Quecksilberdampf wird von einer kurzwelligen UV-Linie bei 254 nm dominiert (die den größten Teil der Energie für die Leuchtstoffe liefert), begleitet von der Emission sichtbaren Lichts bei 436 nm (blau), 546 nm (grün) und 579 nm (gelb-orange). Diese drei Linien können mit einem Handspektroskop über dem weißen Kontinuum für das von den üblichen weißen Leuchtstoffröhren emittierte Licht beobachtet werden. Dieselben sichtbaren Linien, begleitet von den Emissionslinien des dreiwertigen Europiums und des dreiwertigen Terbiums und weiter begleitet vom Emissionskontinuum des zweiwertigen Europiums im blauen Bereich, bilden die diskontinuierlichere Lichtemission der modernen trichromatischen Leuchtstoffsysteme, die in vielen Kompaktleuchtstofflampen und herkömmlichen Lampen verwendet werden, bei denen eine bessere Farbwiedergabe angestrebt wird. ⓘ

Leuchtstofflampen wurden der Öffentlichkeit erstmals auf der New Yorker Weltausstellung von 1939 vorgestellt. Seitdem wurden vor allem bessere Leuchtstoffe, eine längere Lebensdauer, eine gleichmäßigere interne Entladung und einfacher zu handhabende Formen (wie Kompaktleuchtstofflampen) entwickelt. Einige HID-Lampen (High-Intensity Discharge) kombinieren ihre noch höhere elektrische Effizienz mit einer Verbesserung des Leuchtstoffs für eine bessere Farbwiedergabe. ⓘ

Weiße Leuchtdioden (LEDs) sind seit Mitte der 1990er Jahre als LED-Lampen erhältlich, bei denen das vom Halbleiter ausgestrahlte blaue Licht auf die auf dem winzigen Chip aufgebrachten Leuchtstoffe trifft. Die Kombination des blauen Lichts, das den Leuchtstoff durchdringt, und der grünen bis roten Fluoreszenz der Leuchtstoffe erzeugt eine Nettoemission von weißem Licht. ⓘ

Bei Leuchtstäben werden manchmal fluoreszierende Materialien verwendet, die das Licht aus der Chemilumineszenzreaktion absorbieren und Licht in einer anderen Farbe emittieren. ⓘ

Technische Fluorophore bestehen aus Stoffen wie dem sehr häufig benutzten Zinksulfid und chemisch ähnlichen Verbindungen oder Oxiden der Selten-Erd-Metalle. Werden diese Verbindungen mit sogenannten Aktivatoren dotiert, lassen sich verschiedene Farben erzeugen. Als Aktivatoren werden häufig zwei- und dreiwertige Lanthanoid-Kationen verwendet. Zweiwertige Europium-Kationen erzeugen beispielsweise blaues Licht, während die dreiwertigen rotes Licht emittieren. Grünes Licht entsteht beispielsweise durch Cu⁺- und Al³⁺-dotiertes Zinksulfid. ⓘ

Durch geeignete Komposition (Mischung) der Leuchtstoffe lässt sich ein großes Spektrum an nutzbaren Lichtwellenlängen und Farbtemperaturen realisieren, wodurch das Leuchtmittel an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. In Leuchtstofflampen wird z. B. in Abhängigkeit vom verwendeten Leuchtgas das Spektrum des Sonnenlichtes (kaltweiß) oder das einer Glühlampe nachgeahmt. ⓘ

Auch Tritiumgaslichtquellen nutzen die Fluoreszenz eines Leuchtstoffes, der durch die Betastrahlung des Tritium angeregt wird. ⓘ

Analytische Chemie

Bei vielen Analyseverfahren wird ein Fluorometer verwendet, in der Regel mit einer einzigen Anregungswellenlänge und einer einzigen Nachweiswellenlänge. Aufgrund der Empfindlichkeit dieser Methode können Konzentrationen fluoreszierender Moleküle bis zu 1 Teil pro Billion gemessen werden. ⓘ

Die Fluoreszenz bei verschiedenen Wellenlängen kann mit einem Array-Detektor nachgewiesen werden, um Verbindungen aus dem HPLC-Fluss zu erkennen. Auch TLC-Platten können sichtbar gemacht werden, wenn die Verbindungen oder ein Färbereagenz fluoreszierend sind. Fluoreszenz ist am effektivsten, wenn ein größerer Anteil von Atomen auf niedrigeren Energieniveaus in einer Boltzmann-Verteilung vorhanden ist. Die Wahrscheinlichkeit der Anregung und Freisetzung von Photonen durch Atome mit niedrigerer Energie ist dann höher, so dass die Analyse effizienter ist. ⓘ

Spektroskopie

Zum Aufbau eines Fluoreszenztests gehört in der Regel eine Lichtquelle, die viele verschiedene Lichtwellenlängen aussenden kann. Im Allgemeinen ist für eine ordnungsgemäße Analyse eine einzige Wellenlänge erforderlich. Um das Licht selektiv zu filtern, wird es durch einen Anregungsmonochromator geleitet, und dann wird diese ausgewählte Wellenlänge durch die Probenzelle geleitet. Nach der Absorption und Wiederemission der Energie können aufgrund der Stokes-Verschiebung und verschiedener Elektronenübergänge viele Wellenlängen entstehen. Um diese zu trennen und zu analysieren, wird die Fluoreszenzstrahlung durch einen Emissionsmonochromator geleitet und von einem Detektor selektiv beobachtet. ⓘ

Biochemie und Medizin

Endothelzellen unter dem Mikroskop mit drei separaten Kanälen zur Markierung spezifischer zellulärer Komponenten ⓘ

Die Fluoreszenz wird in den Biowissenschaften im Allgemeinen als zerstörungsfreie Methode zur Verfolgung oder Analyse biologischer Moleküle mittels der Fluoreszenzemission bei einer bestimmten Frequenz verwendet, bei der es keinen Hintergrund durch das Anregungslicht gibt, da relativ wenige zelluläre Komponenten von Natur aus fluoreszierend sind (so genannte intrinsische oder Autofluoreszenz). Ein Protein oder eine andere Komponente kann mit einem extrinsischen Fluorophor "markiert" werden, einem fluoreszierenden Farbstoff, bei dem es sich um ein kleines Molekül, ein Protein oder einen Quantenpunkt handeln kann, der in vielen biologischen Anwendungen Verwendung findet. ⓘ

Die Quantifizierung eines Farbstoffs erfolgt mit einem Spektrofluorometer und findet weitere Anwendungen in: ⓘ

Mikroskopie

• Beim Scannen der Fluoreszenzintensität über eine Ebene erhält man die Fluoreszenzmikroskopie von Geweben, Zellen oder subzellulären Strukturen, indem man einen Antikörper mit einem Fluorophor markiert und den Antikörper sein Zielantigen in der Probe finden lässt. Die Markierung mehrerer Antikörper mit unterschiedlichen Fluorophoren ermöglicht die Visualisierung mehrerer Ziele in einem einzigen Bild (mehrere Kanäle). DNA-Mikroarrays sind eine Variante dieser Methode.
• Immunologie: Ein Antikörper wird zunächst mit einer fluoreszierenden chemischen Gruppe präpariert, und die Stellen (z. B. auf einer mikroskopischen Probe), an die der Antikörper gebunden hat, können anhand der Fluoreszenz gesehen und sogar quantifiziert werden.
• FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) kann zum Nachweis bestimmter biomolekularer Wechselwirkungen eingesetzt werden, die sich durch die Beeinflussung der Fluoreszenzlebensdauer bemerkbar machen.
• Zell- und Molekularbiologie: Nachweis der Kolokalisierung mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern zum selektiven Nachweis der interessierenden Antigene mit Hilfe spezieller Software wie ImageJ. ⓘ

Andere Techniken

• FRET (Förster-Resonanz-Energie-Transfer, auch bekannt als Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer) wird zur Untersuchung von Protein-Interaktionen, zum Nachweis spezifischer Nukleinsäuresequenzen und als Biosensor eingesetzt, während die Fluoreszenz-Lebensdauer (FLIM) eine zusätzliche Informationsebene liefern kann.
• Biotechnologie: Biosensoren, die Fluoreszenz nutzen, werden als mögliche Biosensoren für fluoreszierende Glukose untersucht.
• Automatisierte Sequenzierung von DNA durch die Kettenabbruchmethode; jede der vier verschiedenen Kettenabbruchbasen hat ihre eigene spezifische fluoreszierende Markierung. Wenn die markierten DNA-Moleküle getrennt werden, wird die fluoreszierende Markierung durch eine UV-Quelle angeregt, und die Identität der Base, die das Molekül abschließt, wird durch die Wellenlänge des emittierten Lichts identifiziert.
• FACS (Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung). Eine von mehreren wichtigen Zellsortierungstechniken, die für die Trennung verschiedener Zelllinien (insbesondere aus tierischem Gewebe) verwendet werden.
• DNA-Nachweis: Die Verbindung Ethidiumbromid hat in wässriger Lösung eine sehr geringe Fluoreszenz, da sie durch Wasser gelöscht wird. Die Fluoreszenz von Ethidiumbromid wird stark verstärkt, wenn es an die DNA bindet, so dass diese Verbindung sehr nützlich ist, um die Lage von DNA-Fragmenten in der Agarosegel-Elektrophorese sichtbar zu machen. Interkaliertes Ethidium befindet sich in einer hydrophoben Umgebung, wenn es sich zwischen den Basenpaaren der DNA befindet, und ist vor der Löschung durch Wasser geschützt, das aus der lokalen Umgebung des interkalierten Ethidiums ausgeschlossen ist. Ethidiumbromid kann krebserregend sein - eine wohl sicherere Alternative ist der Farbstoff SYBR Green.
• FIGS (Fluorescence image-guided surgery) ist ein bildgebendes Verfahren in der Medizin, bei dem Fluoreszenz eingesetzt wird, um während eines chirurgischen Eingriffs korrekt markierte Strukturen zu erkennen.
• Intravaskuläre Fluoreszenz ist ein kathetergestütztes medizinisches Bildgebungsverfahren, das Fluoreszenz zur Erkennung von Hochrisikomerkmalen der Atherosklerose und nicht verheilten Gefäßstents einsetzt. Die Plaque-Autofluoreszenz wurde in einer ersten Studie an Koronararterien in Kombination mit optischer Kohärenztomographie eingesetzt. Molekulare Agenzien wurden auch eingesetzt, um spezifische Merkmale wie Fibrinansammlungen in Stents und enzymatische Aktivitäten im Zusammenhang mit Arterienentzündungen zu erkennen.
• SAFI (species altered fluorescence imaging) ist ein bildgebendes Verfahren in der Elektrokinetik und Mikrofluidik. Dabei werden nicht elektromigrierende Farbstoffe verwendet, deren Fluoreszenz durch wandernde chemische Spezies von Interesse leicht gelöscht werden kann. Der/die Farbstoff(e) werden in der Regel überall im Fluss platziert, und die unterschiedliche Löschung ihrer Fluoreszenz durch Analyten wird direkt beobachtet.
• Fluoreszenzbasierte Assays zum Screening toxischer Chemikalien. Die optischen Assays bestehen aus einem Gemisch aus umweltempfindlichen Fluoreszenzfarbstoffen und menschlichen Hautzellen, die Fluoreszenzspektren erzeugen. Dieser Ansatz kann den Bedarf an Labortieren in der biomedizinischen Forschung und der pharmazeutischen Industrie verringern.
• Erkennung von Knochenrändern: Mit Alizarin gefärbte Proben und bestimmte Fossilien können mit Fluoreszenzlampen beleuchtet werden, um anatomische Strukturen, einschließlich Knochenränder, zu erkennen. ⓘ

Forensik

Fingerabdrücke können mit fluoreszierenden Verbindungen wie Ninhydrin oder DFO (1,8-Diazafluoren-9-on) sichtbar gemacht werden. Blut und andere Substanzen werden manchmal mit fluoreszierenden Reagenzien wie Fluorescein nachgewiesen. Fasern und andere Materialien, die in der Forensik vorkommen oder mit verschiedenen Sammlerstücken in Verbindung gebracht werden können, sind manchmal fluoreszierend. ⓘ

Zerstörungsfreie Prüfung

Die fluoreszierende Eindringprüfung wird eingesetzt, um Risse und andere Defekte auf der Oberfläche eines Teils zu finden. Die Farbstoffprüfung mit fluoreszierenden Farbstoffen wird eingesetzt, um Lecks in Flüssigkeits- und Gasleitungen zu finden. ⓘ

Beschilderung

Fluoreszierende Farben werden häufig für die Beschilderung verwendet, insbesondere für Straßenschilder. Fluoreszierende Farben sind im Allgemeinen auf größere Entfernungen erkennbar als ihre nicht fluoreszierenden Gegenstücke, wobei fluoreszierendes Orange besonders auffällig ist. Diese Eigenschaft hat dazu geführt, dass sie häufig für Sicherheitsschilder und -etiketten verwendet werden. ⓘ

Optische Aufheller

Fluoreszierende Verbindungen werden häufig verwendet, um das Aussehen von Stoffen und Papier zu verbessern, indem sie einen "Aufhellungseffekt" bewirken. Eine weiße Oberfläche, die mit einem optischen Aufheller behandelt wurde, kann mehr sichtbares Licht aussenden als das, das auf sie scheint, wodurch sie heller erscheint. Das vom Aufheller emittierte blaue Licht kompensiert das abnehmende Blau des behandelten Materials und verändert den Farbton weg von Gelb oder Braun hin zu Weiß. Optische Aufheller werden in Waschmitteln, hochglänzendem Papier, Kosmetika, gut sichtbarer Kleidung und vielem mehr verwendet. ⓘ

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. ⓘ

Fluoreszierende Stoffe (Auswahl)

Nilrot bei Tageslicht (obere Reihe) und UV-Licht (366 nm, untere Reihe) in verschiedenen Lösungsmitteln.
V. l. n. r.: 1. Wasser, 2. Methanol, 3. Ethanol, 4. Acetonitril, 5. Dimethylformamid, 6. Aceton, 7. Ethylacetat, 8. Dichlormethan, 9. n-Hexan, 10. tert-Butylmethylether, 11. Cyclohexan, 12. Toluol ⓘ

• Allophycocyanin
• Berberin
• Brilliant Sulfaflavin
• Chinin
• Cumarine, z. B. 4-Methylumbelliferon
• DAPI
• 1,3,2-Dioxaborine (Komplexe von Borsäurederivaten mit 1,3-Dicarbonylverbindungen)
• Epicocconon
• Fluoresceine (z. B. 5-Octadecanoylaminofluorescein, 6-Carboxy-4′,5′-dichlor-2′,7′-dimethoxyfluorescein-N-succinimidylester)
• Fluoreszierende Proteine (GFP, YFP, RFP)
• IAEDANS
• Indocyaningrün
• Natriumdiuranat
• Nilblau / Nilrot
• Porphyrine (Häme, Chlorophylle usw.)
• Squaraine (Quadratsäurefarbstoffe) auf Basis von N,N-Dialkylanilinen
• Rhodamine
• Stilbene
• Synthetische Fluoreszenzlabel bzw. -marker wie z. B. ATTO-Dyes (ATTO-TEC GmbH, Siegen), Alexa-Fluor (Molecular Probes, Invitrogen Corp.) und Cyanine (Cy3, Cy5 usw.)
• TMRM+

weitere Farbstoffe: in der Kategorie Fluoreszenzfarbstoff ⓘ

Vorkommen

Kosmische Strahlung

Hochenergetische Kosmische Strahlung löst in der Erdatmosphäre Teilchenkaskaden, sog. ausgedehnte Luftschauer, aus. Die geladenen Teilchen dieser Schauer regen die Stickstoffmoleküle der Luft an, so dass diese Fluoreszenzlicht ausstrahlen. Durch Messungen dieses Lichtes lassen sich Rückschlüsse auf die primäre kosmische Strahlung gewinnen. Ähnliche Phänomene sind das Polarlicht, bei dem die Anregung der Luftmoleküle in erster Linie durch die Teilchen des Sonnenwindes erfolgt, und die Strahlung des leuchtenden Kometenschweifs, bei dem infolge der Wechselwirkung mit dem Sonnenwind Moleküle Licht ausstrahlen. ⓘ

Anwendungsgebiete

Im Folgenden sollen einige Methoden und Anwendungsgebiete genannt werden: ⓘ

Fluoreszenzspektroskopie

Der Begriff der Fluoreszenzspektroskopie fasst Methoden zusammen, die die Fluoreszenzeigenschaften von Fluorophoren ausnutzen, um Informationen über die untersuchten Systeme zu gewinnen. Es gibt viele natürliche und synthetische Verbindungen, die Fluoreszenz zeigen. Mit Hilfe der Spektroskopie lässt sich daher die Zusammensetzung einer Probe ermitteln. ⓘ

→ Siehe auch: Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie, Fluoreszenzpolarisation, Fluoreszenztomographie, Fluoreszenzmikroskopie. ⓘ

Aufhellung und Dekoration

Durch die Absorption (unsichtbaren) ultravioletten und blauen Lichts und die Aussendung längerwelligen sichtbaren Lichts lässt sich eine Aufhellung erzielen:

• optische Aufheller
• Signalfarbe (Tagesleuchtfarbe)
• Textmarker (Tagesleuchtfarbe) ⓘ

Tagesleuchtfarbe fluoresziert bereits durch die Anregung mit dem Blauanteil des Tageslichtes. Da dieser bei schlechtem Wetter und in der Dämmerung besonders hoch ist, wird eine bessere Sichtbarkeit erreicht. Tagesleuchtfarbe gibt es auch in wasserlöslicher Form. ⓘ

Fluoreszierende Stempeltinte bei Raumbeleuchtung und bei Schwarzlicht ⓘ

Fluoreszierende Tinte oder Stempeltinte, die bei Raumbeleuchtung nicht sichtbar ist, und nur bei Schwarzlicht erkennbar wird. ⓘ

In Diskotheken wird oft sogenanntes Schwarzlicht (UV-Licht, UV-A) benutzt, um fluoreszierende Farben, chininhaltige Getränke oder optische Aufheller in Kleidung zum Leuchten zu bringen. Bekannt sind auch Tafeln, die mit fluoreszierender Kreide beschrieben werden können. Sie können von außen oder auch von innen (Flutlicht) durch das transparente Tafelmaterial mit Ultraviolett beleuchtet sein. ⓘ

Fluoreszierende Kunststoffplatte bei Raumbeleuchtung und bei Schwarzlicht ⓘ

Fluoreszenzlicht in Plexiglas ⓘ

Zur Gartendekoration gibt es durchsichtige, schwach eingefärbte Kunststoffscheiben, die bei Tageslicht und danach aus dem Rand kräftig leuchten und aus der Fläche nur schwach. Der Anteil des Fluoreszenzlichts, der in einem flacheren Winkel zu den Oberflächen als dem Totalreflexions-Winkel emittiert wird, kann die Platte nur an den Rändern verlassen, die so als Lichtleiter wirkt. Bei einem maximalen Brechungswinkel von 42° für Plexiglas und Luft bleibt rund 74 % des Fluoreszenzlichts in der Platte. Dieser Effekt wird auch bei den Fluoreszenz-Solarzellen genutzt. ⓘ

Anzeigen, Displays und Bildschirme

Vakuum-Fluoreszenzdisplay ⓘ

Bei Anzeigen, Displays und Bildschirmen wurde bis in die 90er-Jahre oft die Anregung der Fluoreszenzfarbstoffe durch Elektronenbeschuss genutzt (Kathodenstrahlröhren). Beispiele sind Vakuum-Fluoreszenzdisplays (Digitron), Kathodenstrahlröhrenbildschirme (englisch Cathode Ray Tube – CRT) und Abstimmanzeigeröhren (Magisches Auge). ⓘ

Diesen gemeinsam ist die Freisetzung von Elektronen durch Glühemission im Vakuum und deren Beschleunigung auf eine Leuchtstoffschicht durch eine elektrische Spannung. Die zu Demonstrationszwecken dienende Schattenkreuzröhre sowie Feldemissionsmikroskope besitzen dagegen kalte Kathoden, und Bildwandlerröhren beschleunigen die auf einer Photokathode erzeugten Elektronen und erzeugen auf einem kleinen Fluoreszenzschirm ein Abbild. ⓘ

Bildende Kunst

Die Verwendung fluoreszierender Farben stellt ein Stilmerkmal in der psychedelischen Kunst und in der zeitgenössischen Lichtkunst dar. ⓘ