titelgraphik Fluoreszenz

Fluoreszenzfarbstoffe in der Natur


Farbstoffe sind in der Natur weit verbreitet. Im Gegensatz dazu gibt es nur relativ wenige Fluoreszenzfarbstoffe. Dies mag daran liegen, dass die einzige Quelle von UV - Licht in der Natur die Sonne darstellt. Bei hellem Sonnenlicht ist die auftretende Fluoreszenz natürlich nicht zu sehen und hat demzufolge keine direkte ökologische Bedeutung. Ein eindrucksvolles Beispiel für einen natürlich vorkommenden Fluoreszenzfarbstoff bildet das Aesculin aus der Roßkastanie. Man braucht nur einen abgeschnittenen Kastanienzweig in ein Glas mit Wasser stellen und mit einer UV-Lampe (366 nm) bestrahlen. Dabei kann man beobachten, wie eine hellblau fluoreszierende Substanz aus dem Zweig austritt und sich im Wasser löst. Im Querschnitt ist die farbstoffführende Schicht gut zu sehen. Bei dieser blau fluoreszierenden Substanz handelt es sich um ein 6,7-Dihydroxycumarinderivat ( Aesculin ). Dihydroxycumarine und deren Glycoside kommen auch in anderen Pflanzen vor. In der Esche finden wir z. B. das Fraxin und im Seidelbast das Daphnin. Wie bei der Kastanie können auch hier die Fluoreszenzfarbstoffe mit Wasser herausgelöst werden 1. Die bereits 1929 von Krais beschriebene blaue Fluoreszenz von Cumarinen führte zur Entwicklung von optischen Aufhellern für Textilfasern.



{Fluoreszenz von Aessculin}
Die Abbildung zeigt einen Kastanienzweig der in Waser eintaucht und mit UV-Licht (366nm) bestrahlt wird.


Eine weitere fluoreszierende Stoffklasse bilden die Protoberberin - Alkaloide mit dem dem Berberin als bekanntesten Vertreter. Protoberberin - Alkaloide gehören zu den am weitesten verbreiteten Isochinolin - Alkaloid - Typen. Sie kommen in Berberis- und Mahonia- Arten vor z. B. auch in der Berberitze. Eine leicht zugängliche Quelle ist auch das überall an Wegrändern und in Gärten und Parkanlagen vorkommende Schöllkraut mit seinem durch Berberin gelb/orange gefärbten Milchsaft. Mit Berberin lassen sich Seide, Baumwolle und Leder färben. Gibt man einen Tropfen Schöllkraut Milchsaft auf die Haut und betrachtet diese Stelle unter UV - Licht so kann man eine intensive gelbe Fluoreszenz beobachten 2. Berberin ist giftig und wurde pharmakologisch intensiv bearbeitet. Es wird zur Behandlung von Magenkrankheiten, Cholera und Durchfall eingesetzt. Einige Protoberberin Alkaloide wirken bakterizid, analgetisch, gebärmutterkontrahierend, hypnotisch oder auch sedativ.


{Schöllkraut und seine fluorezierende Milch}
Angeschnittene Schöllkrautwurzel mit austretenden Milchsaft (oben); Der Saft kann auf einem Holzstäbchen gesammelt werden (ul). Ein Dünnschichtchromatogramm trennt die verschiedenen, fluoreszierenden Alkaloide auf (Ethanol/Wasser = 4/1).


Die wohl älteste beobachtete Fluoreszenzerscheinung geht ebenfalls von einem Holz aus. Ein spezielles Holz, "lignum nephriticum", wurde bereits im Mittelalter als Arzneistoff gegen Nierenkrankheiten genutzt und gehandelt. Es gab ein einfaches Verfahren um die Echtheit des Holzes zu prüfen. Man musste dazu nur ein paar Holzspäne in Wasser geben. War das Holz echt, so konnte man am Tageslicht eine bläuliche Leuchterscheinung beobachten. Das heißt aus dem Holz wird ein Stoff herausgelöst der in Wasser eine so starke Fluoreszenz zeigt, dass man sie selbst bei Tageslicht mit bloßem Auge sehen kann. Lignum nephriticum ist der Name des pharmazeutischen Produktes aber es ist heute nicht mehr eindeutig, von welcher Pflanze das Holz gewonnen wurde. Es gibt zwei Kandidaten: Eisenhardtia polystachia aus Mittelamerika und Pterocarpus indicus von den Philipinen. Beide Hölzer werden in der Volksmedizin gegen Nierenleiden verwendet und beide zeigen die erwähnte Fluoreszenz. Im Holz selbst konnte aber nie ein Fluoreszenzfarbstoff gefunden werden. Es hat über 500 Jahre gedauert um dieses Problem zu lösen. Im Holz selbst ist nur eine Vorstufe enthalten, aus der bei Kontakt mit Waser und Luftsauerstoff über acht(!!) Reaktionsstufen Matlalin als der eigentliche Fluoreszenzfarbstoff gebildet wird 2,3.


{Fluoreszenz von Narra Holz}

Das Bild zeigt einige Späne von Narra Holz (Pterocarpus indicus), versetzt mit Wasser. Schon bei tageslicht (links) ist die Fluoreszenz zu sehen. Die Fluoreszenz ist pH Wert abhängig und nur im schwach basischen Bereich gut zu erkennen. Die Formel zeigt das Matlalin.


Interessanterweise sind Entdeckungen auf dem Gebiet der Fluoreszenz von Naturstoffen auch heute noch möglich. So überraschte die Angewandte Chemie 2008 mit einem Beitrag über die Fluoreszenz von Bananen 4. Das ist von jedermann leicht zu beobachten, der über eine Schwarzlichtlampe (366nm) verfügt. Es lohnt sich auch eine Bananenschale ein oder zwei Tage liegen zu lassen und immer mal mit der UV - Lampe zu bestrahlen. Besonders die Innenschale zeigt mitunter an verschiedenen Stellen eine schöne blaue Fluoreszenz. Ganz anders und viel intensiver ist die Fluoreszenz die als Ring rings um die kleinen braunen Flecken, die sich bei zuhnehmender Reifung bilden, beobachten lässt. In In beiden Fällen handelt es sich wahrscheinlich um die Fluoreszenz eines Abbauproduktes von Chlorophyll 5. Deshalb ist es auch nur bei einem bestimmten Reifegrad sichtbar.


{Fluoreszenz einer Banane}

Das Bild einer Banane mit UV-Licht bestrahlt.


Es gibt noch weitere Abbauprodukte von Porphyringerüsten die sich in alltäglichen Produkten verstecken. Wie währe es denn mal mit braunen Hühnereiern. Unter der UV-Lampe betrachtet sieht man erst einmal nichts. Wenn man aber ein paar Tropfen Säure auf die Eierschale tropft, werden die Ooporphyrine aus dem Kalkgerüst freigesetzt und zeigen eine schöne, rote Fluoreszenz. Besser macht man den Versuch in einem Reagenzglas indem man einige Stücke zerkrümelter Eierschale hineingibt, mit verdünnter Salzsäure übergießt und mit Essigester überschichtet. Der Essigester nimmt die Ooporphyrine auf und zeigt deren schöne rote Fluoreszenz. Solche Ooporpyrine kommen auch in den Federn mancher Vogelarten (z. B. Trappenvögel), vor Allem an den nicht von der Sonne beschienen Federkielen vor 6.


{Fluoreszenz von Eierschalen}

Das Bild zeigt einen Reagenzglasversuch mit braunen Eierschalen, wenig Salzsäure und Essigester, rechts unter UV-Bestrahlung.

{Fluoreszenz von Eierschalen}

Das Ganze geht auch direkt mit einem Hühnerei (links) auf das man einige Tropfen Essigessenz gibt (mitte), unter UV-Bestrahlung kann man die Fluoreszenz sehen (rechts), ein schöner Versuch für zu Hause.


Wenn man einmal mit der Suche nach Fluoreszenzfarbstoffen begonnen hat, wird man auch an unerwarteten Stellen fündig. Eine Gruppe von Lebewesen bei denen Fluoreszenz relativ weit verbreitet ist sind die Pilze. Die meisten Pilze sind wahrscheinlich überhaupt noch nicht auf etwa auftretende Fluoreszenz untersucht worden. Von der Gattung Russula ist aber schon bekannt dass sie zahlreiche Arten mit Fluoreszenz hervorbringt. Als Fluoreszenzfarbstoffe treten vor Allem Russupteridine und Russulumazine auf . Man findet aber auch Arten die durch eingelagertes Riboflavin eine Gelbgrüne Fluoreszenz aufweisen 7. Die Farbstoffe sind recht stabil und bleiben auch beim Trocknen und Herbarisieren erhalten. Oft treten zwei oder gar mehrere Fluorenzfarben auf. Direkt unter der Huthaut befindet sich meist eine Schicht mit intensiver hellbauer Fluoreszenz, die Lamellen leuchten oft gelbgrün und mitunter der Stiel rötlich.

{Fluoreszenz eines Täublings}

Das Bild zeigt ein aufgeschnittenes Exemplar von Russula sardonia, einem besonders farbenfroh fluoreszierenden Täubling.
Lit.:
  1. 1 D. Weiß, H. Brandl, Fluoreszenzfarbstoffe in der Natur, Chemie in unserer Zeit (2013), Teil 1: 47, S. 50-54;
  2. D. Weiß, H. Brandl, Fluoreszenzfarbstoffe in der Natur, Chemie in unserer Zeit (2013), Teil 2: 47, S. 122-131;
  3. B. Achari, P. K. Dutta, S. K. Roy, P. Chakraborty, J. Sengupta, D. Bandyopadhyay, J. K. Maity, I. A. Khan, Y. Ding, D. Ferreira, J. Nat. Prod. 2012, 75, S. 655-660.
  4. S. Moser, T. Müller, M.-O. Ebert, S. Jockusch, N. J. Turro, B. Kräutler; Angew. Chem. 120 (2009); S. Moser, T. Müller, A. Holzinger, C. Lütz, S. Jockusch, N. J. Turro, B. Kräutler; PNAS 15 (2009) 15538-15543
  5. Vortrag von B. Kräutler in der Leopoldina
  6. O. Völker, Journal für Ornithologie 1938, 36/3, 436-456
  7. P. X. Iten, H. Märki-Danzig, H. Koch, C. H. Eugster, Helv. Chim. Acta 1984, 67, 550-569