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Fluoreszenz

Zunächst etwas Theorie: Wird einem Molekül Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung zugeführt, so wird diese Energie im Molekül transformiert, das heisst in andere Energieformen umgewandelt. Je nach Energiegehalt der elektromagnetischen Strahlung erfolgt dies auf unterschiedliche Weise. Strahlung niedriger Energie, wie z. B. Mikrowellen- oder Infrarotstrahlung wird in mechanische Energie, in Rotationsbewegungen und Schwingungen des Moleküls umgewandelt. Wir nutzen dies im Infrarotgrill und in der Haushaltsmikrowelle denn intensivere Schwingung und Rotation bedeutet auch eine höhere Temperatur. Ist der Energiegehalt der Strahlung größer (sichtbares Licht, Ultraviolettes Licht) so werden Elektronen aus ihren Orbitalen herausgelöst und in leere, unbesetzte Orbitale mit höheren Energiegehalt gehoben. Dieser Angeregte Zustand ist energetisch ungünstig und nicht stabil. Bereits nach 0,00000008 s fällt das Elektron wieder in sein ursprüngliches Orbital zurück wobei die Energie meist wieder als Schwingungsenergie frei wird. Wir können diesen Prozess täglich beobachten. Fällt Licht auf einen Gegenstand so werden je nach Molekülstruktur bestimmte Wellenlängen absorbiert und in Wärme umgewandelt. Was wir sehen ist die reflektierte Reststrahlung deren Farbe nun der Komplimentärfarbe des absorbierten Lichtes entspricht. Das alte Sprichwort " Nachts sind alle Katzen grau" findet hier seine tiefere Bedeutung, denn ohne Licht keine Farbe ! Einige Moleküle haben auf Grund ihrer Struktur nur sehr eingeschränkte Möglichkeiten Anregungsenergie in Schwingungsenergie umzuwandeln. In diesen Molekülen fallen die Elektronen aus dem Orbital mit höherem Energiegehalt direkt in ihr ursprüngliches Orbital zurück. Die Energie wird als elektromagnetische Strahlung frei. Diese freiwerdende elektromagnetische Strahlung liegt meist im sichtbaren Bereich des Spektrums und wird als Fluoreszenzlicht bezeichnet, die Erscheinung als Fluoreszenz. Die Emission von Fluoreszenzlicht erfolgt vom Angeregten Zustand mit der geringsten Energie (S1) aus (Kasha Regel). Das Fluoreszenzlicht ist daher immer langwelliger als das eingestrahlte Anregungslicht. Eine Übersicht über diese Prozesse und Zusammenhänge gibt das Jablonski Diagramm:

Eine wichtige Größe bei der Fluoreszenz ist die Fluoreszenzquantenausbeute. Wird für jedes absorbierte Photon auch wieder ein Photon emittiert, so ist die Quantenausbeute F = 1 (bzw. 100 %). Dies ist theoretische Obergrenze, die nur von wenigen Molekülen annähernd erreicht wird. Fluoreszierende Substanzen haben zahlreiche Anwendungen. So können sie zum Beispiel als Marker für Biomoleküle eingesetzt werden (Fluoreszenzlabel). oder als Komponente in Farbstofflaser Systemen. Riesige Mengen an blau fluoreszierenden Fluoreszenzfarbstoffen werden als optische Aufheller in Waschmitteln eingesetzt und als Fluoreszierende Pigmente in Leucht- und Warnfarben. Die Konzeption und Synthese eines neuen Fluoreszenzfarbstoffes ist immer wieder ein Abenteuer und man ist nicht vor Überraschungen sicher. Man hat natürlich gewisse Erfahrungen und kann gefühlsmässig versuchen zu prognostizieren ob eine Substanz fluoresziert oder nicht. Eine sichere, auf den theoretischen Grundlagen basierende Voraussage gibt es allerdings nicht. Mit Spannung wird daher immer das erste Dünnschichtchromatogramm der Reaktion betrachtet und nach fluoreszierenden Fraktionen gesucht. Dünnschichtplatten die den Zusatz UV254 tragen, sind mit einem Fluoreszenzfarbstoff beschichtet der sich bei 254 nm anregen lässt und ein gelbgrünes Licht emittiert. Die aufgetragene Substanz löscht die Fluoreszenz und man erkennt einen dunklen Fleck auf hellem Hintergrund. Bestrahlt man mit 366 nm so wird oft die Eigenfluoreszenz der Substanzen angeregt und man sieht helle, farbige Leuchtflecken auf dunklem Hintergrund.

Nach der Theorie die Praxis: