Fluoreszenz: Physikalischer Hintergrund

Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht nach der Anregung eines Materials.

Wird eine chemische Verbindung mit Licht bestrahlt, so kann diese Verbindung die Energie des Lichts zur Elektronenanregung aufnehmen, wobei ein Elektron in einen energetisch höher gelegenen Zustand übergeht. Zwischen den Energiezuständen können verschiedene Grundtypen von Übergängen, die so genannten photophysikalischen Primärprozesse stattfinden. Diese Prozesse, die von der Absorption von Anregungslicht zur Emission führen, werden oft mit Hilfe von Jablonski Diagrammen dargestellt:

FluoreszenzRgb

Sowohl die absolute Lage der einzelnen Energiezustände als auch die Wahrscheinlichkeit für die Übergänge zwischen den einzelnen Energieniveaus sind stoffspezifisch. Der angeregte Zustand im S1-Niveau ist relativ langlebig, so dass von diesem mehrere Konkurrenzprozesse ausgehen können, welche nachfolgend aufgelistet sind:

  • Weitere innere Umwandlungen mit nachfolgender strahlungsloser Deaktivierung,
  • Emission von Strahlung aus dem S1 – Zustand in den Grundzustand S0 (Diese Strahlung wird als Fluoreszenz bezeichnet.),
  • Photoreaktionen, bei denen das „elektronisch“ aktivierte Molekül andere nicht fluoreszierende Reaktionsprodukte bildet, und
  • Umwandlung in den Triplettzustand mit anschließender Deaktivierung. Die Emission von T1 zu S0 (Phosphoreszenz) tritt nur dann auf, wenn eine weitere Interkombination und anschließende strahlungslose Deaktivierung nicht auftreten.

Das emittierte Fluoreszenzspektrum ist aufgrund der strahlungslosen Energieverluste im elektronisch angeregten Zustand in der Regel zu größeren Wellenlängen hin verschoben (Stokes Shift).
Die Aussendung von Fluoreszenzlichtquanten kann infolge von Fluoreszenzlöschung ausbleiben, wenn die Anregungsenergie:

  • durch Stöße mit anderen Molekülen verloren geht (strahlungslose Deaktivierung, Konzentrationslöschung),
  • als elektronische Energie auf andere Moleküle übertragen wird (sensibilisierte, auch verzögerte Fluoreszenz; Diese Moleküle können als Fluoreszenzlöscher, gegebenenfalls aber auch als sogenannte Fluoreszenzverstärker fungieren.), oder
  • nach vorausgegangener Umwandlung in den Triplettzustand, in ein langlebiges Niveau übergeht und als Phosphoreszenzlichtquant abgestrahlt wird.

Die Eigenschaft der Fluoreszenz wird somit stark durch ihre chemische Umgebung, wie zum Beispiel Lösungsmittel beeinflusst. Durch diese Beeinflussung ändern sich die Fluoreszenzausbeute und / oder die Lebensdauer des angeregten Zustandes. Diese Änderung wird dabei durch eine strahlungslose Deaktivierung des angeregten Zustands des Fluorophors hervorgerufen (Quenching).

Zu den wichtigsten Arten von Quenchprozessen zählen dynamische und statische Fluoreszenzlöschung. Bei der dynamischen (stoßbedingten) Fluoreszenzlöschung wird das angeregte Molekül aus dem S1-Zustand durch Energieaustausch mit dem Quencher in den S0-Grundzustand überführt. Dieser Energieaustausch muss in der Zeit erfolgen, in der sich das fluoreszierende Molekül im angeregten Zustand befindet. Beim statistischen Quenching bilden das Farbstoffmolekül und der Quencher im Grundzustand einen Komplex aus, der auch im angeregten Zustand nicht fluoresziert, sondern strahlungslos in den S0-Grundzustand zurückkehrt. Beiden Quenchprozessen ist gemeinsam, dass deren Effektivität von der Konzentration der Löschermoleküle abhängig und dass zur Löschung der direkte molekulare Kontakt zwischen Fluorophor und Quencher notwendig ist.

Eine Möglichkeit, Fluoreszenzausbeuten zu verbessern und gleichzeitig Quenchprozesse zu verringern besteht darin, die Beweglichkeit der Fluorophore und der Quencher innerhalb der Lösung durch Verminderung der Temperatur zu verringern. Eine solche Steigerung der Fluoreszenz bei Erniedrigung der Temperatur wird als Arrhenius-Verhalten des Fluorophors bezeichnet. Es werden oftmals verschiedene Arrhenius-Parameter zur Lokalisierung der einzelnen angeregten Zustände genutzt. (Bowen und Cook, 1953; Bowen und West, 1955; Lampert und Phillips, 1985).

Bowen, E.J., Cook, R.J. (1953) Temperature Coefficients of Fluorescence. J. Chem. Soc. 3059-3061
Bowen, E.J., West, K. (1955) Solvent Quenching of the Fluorescence of Anthracene. Chem. Soc. 4394-4395
Lampert, R.A., Phillips, D. (1985) Photophysics of meso-Substituted Anthracenes. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 81, 383-393

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