fluorescens
Fluorescens ( fluorɛsˈt͜sɛnt͜s ) er den spontane utslipp av lys kort tid etter at et materiale er eksitert av lys. De sendte fotonene har vanligvis lavere energi enn de som er absorbert tidligere. Fysiske systemer der fluorescens forekommer kalles fluoroforer . Fluorescerende stoffer som brukes til farging kalles fluorokromer eller fluorescerende fargestoffer . Hvis det stimulerbare materialet er en del av en organisme, kalles det også biofluorescens (i analogi med bioluminescens ). Dersom et objekt er fluorescerende i seg selv, dvs. uten å være farget, snakker man om autofluorescens eller selv-fluorescens .
I motsetning til fosforcens oppstår tillatte overganger mellom to elektroniske tilstander med fluorescens . De glade tilstandene har derfor kort levetid, og fluorescensen forfaller etter kort tid.
Begrepet fluorescens (opprinnelig "fluorescens") ble introdusert i 1852 av George Gabriel Stokes . Ordet er avledet av det noen ganger fluorescerende mineralet fluoritt (fluorspar, kalsiumfluorid, CaF 2 ).
Fosforesens og fluorescens
Både fluorescens og fosforcens er former for luminescens (kald glød) og er fotofysiske prosesser .
Imidlertid er fluorescens preget av det faktum at den slutter raskt (vanligvis innen en milliondel av et sekund) etter at bestrålingen er avsluttet. I tilfelle fosforcens er det derimot en etterglød som kan vare fra brøkdeler av et sekund til timer.
Forklaring
Hvis fluoroforen blir optisk eksitert, dvs. av absorpsjonen av en foton , og deretter deaktivert med lysutslipp, kalles dette fotoluminescens .
Den glade fluoroforen forblir i den glade tilstanden i en viss tid etter absorpsjon. Denne tiden blir vanligvis referert til som levetiden eller, spesielt, også som fluorescenslevetiden . I henhold til reglene for kvantemekanikk er fluorescensens levetid kort fordi lysutslippet er "tillatt" og derfor finner sted raskt. Bakgrunnen for dette er at det ikke er behov for å reversere spinnet når man går tilbake til grunntilstanden. Utslippet av fluorescerende lys konkurrerer med andre fotofysiske prosesser (intern konvertering, kryssing av intersystem), som svekker fluorescensen. Sannsynligheten med hvilken eksitasjon av en fluorofor faktisk fører til utsendelsen av et foton fluorescens kalles fluorescens kvanteutbytte .
Det utsendte fluorescerende lyset blir vanligvis forskjøvet inn i langbølgeområdet for lysspekteret sammenlignet med eksitasjonslyset. Denne effekten kalles Stokes regel . Effekten er basert på det faktum at med den elektroniske eksitasjonen i utgangspunktet er høyere oscillasjonstilstander i den elektronisk eksiterte tilstanden okkupert, som deretter frigjør oscillasjonsenergien gjennom oscillasjonsavslapping . På samme måte, under utslippene (fra vibrasjonsjordtilstanden i den eksiterte tilstanden), blir ofte høyere vibrasjonstilstander i jordtilstanden okkupert først. Generelt brukes derfor mer energi til eksitasjon (kortere bølgelengde) enn det som sendes ut under utslipp (lengre bølgelengde). Loven om energibesparelse brytes ikke fordi differensialenergien ble gitt til miljøet. I grensesaken kan selvsagt eksitasjon og utslipp oppstå mellom de vibrerende basistilstandene i den eksiterte og basistilstanden. I dette tilfellet foregår eksitasjon og utslipp med samme bølgelengde, og man snakker om resonansfluorescens .
Deaktivering
Ikke-strålende deaktiveringsprosesser kan fremmes ved tilstedeværelse av visse stoffer, såkalte quenchers . Fenomenet at disse konkurrerende prosessene reduserer fluorescensen, blir referert til som fluorescensslokking ( slukking heretter). En viktig slukker, spesielt for fluorescensen av organiske fluoroforer, er molekylært oksygen (O 2 ). Dette er basert på metoder for å bestemme massekonsentrasjonen av oksygen i sensorsystemet (oksygensensor), z. B. å overvåke oksygenkonsentrasjonen i luften . Avhengigheten av fluorescenskvanteutbyttet av konsentrasjonen av en slukker er ofte godt beskrevet av Stern-Volmer-ligningen .
I en alternativ, ikke-utstrålende prosess, kan den eksiterte tilstanden endre sin mangfold til den vanligvis energisk lavere liggende triplettilstanden (unntak: f.eks. Molekylært oksygen ) gjennom en såkalt intersystemkryssing . Herfra er forskjellige deaktiveringskanaler åpne. H. Lysemitterende, kjent som fosforescens .
Fluorescerende stoffer (utvalg)
- Allophycocyanin
- Berberine
- Strålende sulfaflavin
- kinin
- Coumarins , f.eks. B. 4-metylumbelliferon
- DAPI
- 1,3,2 dioxaborines (komplekser av borsyrederivater med 1,3-dikarbonylforbindelser)
- Epicocconon
- Fluoresceiner (f.eks. 5-oktadekanoylaminofluorescein , 6-karboksy-4 ', 5'-diklor-2', 7'-dimetoksyfluorescein N- succinimidylester )
- Fluorescerende proteiner (GFP, YFP, RFP)
- IAEDANS
- Indocyanin grønn
- Sodium diuranate
- Nilen blå / Nilen rød
- Porfyriner ( hem , klorofyll osv.)
- Quadraine ( squaric acid fargestoffer ) basert på N , N- dialkyl aniliner
- Rhodaminer
- Stilbene
- Syntetiske fluorescerende etiketter eller markører som B. Atto-fargestoffer (Atto-TEC GmbH, Siegen), Alexa-Fluor (Molecular Probes, Invitrogen Corp.) og cyanin (Cy3, Cy5 etc.)
- TMRM +
- andre fargestoffer: i kategorien fluorescerende fargestoffer
Hendelse
Kosmiske stråler
Høyenergisk kosmisk stråling utløser partikkelkaskader, såkalte utvidede luftdusjer, i jordens atmosfære. De ladede partiklene i disse dusjene exciterer nitrogenmolekylene i luften slik at de avgir fluorescerende lys. Ved å måle dette lyset kan det trekkes konklusjoner om den primære kosmiske strålingen. Lignende fenomener er nordlys , der luftmolekylene primært blir begeistret av solvindens partikler , og strålingen fra den glødende kometens hale , der molekyler avgir lys som et resultat av interaksjonen med solvinden.
Mineralogi, gemologi (gemologi)
Mineraler , edelstener , fibre og mange andre materialer som undersøkes på samleobjekter og antikviteter har forskjellige fluorescerende egenskaper når de bestråles med kort- eller langbølget UV-lys eller med røntgenstråler og kan dermed identifiseres.
Fluorescens brukes også i paleontologi for å finne og undersøke mange fossiler.
Biofluorescens
Biofluorescence, fluorescens fra organismer, er kjent i katte haier . Det er nåværende filmopptak som viser biofluorescens (fordelt over hele kroppen), som bare kan oppdages med spesielt lys. Fisk, spesielt små, bunnbundne havfisk og forskjellige korallfisk fra forskjellige familier (spesielt Gobiidae , Tripterygiidae , Labridae og andre) har røde fluorescerende mønstre som en del av kroppsfargen eller røde fluorescerende øyne. Dette er et triks for å konvertere det til en merkbar rød glød på dypere vann der blågrønt omgivende lys dominerer. Lite er kjent om de nøyaktige mekanismene og funksjonene til denne fluorescensen. John S. Sparks viet seg blant annet. forskning på bioluminescens hos marin fisk.
Den cuticle av den skorpionen fluoresces når de utsettes for UV-lys. Dette stimulerer lagrede beta-karboliner og 7-hydroksy-4- metylkumarin . Denne effekten beholdes selv etter at dyrene har dødd. Ved hjelp av passende lamper kan dyrene derfor lett oppdages i mørket.
Fuglefjær kan også vise biofluorescence. Noen papegøyer har fjær som viser svovelgul fluorescens. I normalt lys er disse fjærene (hvis de ikke er overlappet av andre pigmenter) lysegule. Det synet av fugler, som ofte har tetrachromatic øynene , strekker seg inn i UV-området. Her fører fluorescens til at lyset som reflekteres i UV-området blir mørkere. Under normale lysforhold er denne fluorescensen for svak til å bli lagt merke til.
bruksområder
I det følgende skal noen metoder og bruksområder navngis:
Fluorescensspektroskopi
Begrepet fluorescensspektroskopi oppsummerer metoder som bruker fluorescensegenskapene til fluoroforer for å innhente informasjon om systemene som undersøkes. Det er mange naturlige og syntetiske forbindelser som viser fluorescens. Sammensetningen av en prøve kan derfor bestemmes ved hjelp av spektroskopi.
→ Se også: fluorescens korrelasjon spektroskopi , fluorescens polarisering , fluorescens tomografi , fluorescens mikroskopi .
Lysere og dekorasjon
Ved å absorbere (usynlig) ultrafiolett og blått lys og avgi lengre bølgesynlig lys kan lys oppnås:
- optiske lysemidler
- Signalfarge ( dagslysfarge )
- Highlighter (fluorescerende farge)
Allerede på 1800-tallet ble det rapportert om fluorescens av esculin , eller vannet ekstrakter fra hestekastanje bark bestrålet av sollys . Den tyske kjemikeren Paul Krais (1866–1939) undersøkte denne effekten ved å tilsette aeskulinholdige ekstrakter av hestekastanje til ull og lin, og oppnådde derved en optisk glans.
Såkalt svart lys ( UV-lys , UV-A) brukes ofte i diskoteker for å belyse fluorescerende farger, drikkevarer som inneholder kinin eller optiske lysemidler i klær. Tavler som kan skrives på med fluorescerende kritt er også kjent. De kan belyses fra utsiden eller fra innsiden ( flomlys ) gjennom det gjennomsiktige brettmaterialet med ultrafiolett.
Dagslysfarge lyser allerede gjennom eksitasjonen med den blå komponenten av dagslys. Siden dette er spesielt høyt i dårlig vær og i skumring, oppnås bedre sikt. Fluorescerende maling er også tilgjengelig i vannløselig form.
belysning
I lysrør omdannes ultrafiolett lys, som genereres av gassutslipp i røret fylt med kvikksølvdamp , til synlig lys. I hvite lysdioder (LED) omdanner fluorescerende fargestoffer som ligner på disse fosforene det monokratiske blått lys som en halvlederkrystall produserer til polykromatisk hvitt lys.
Tekniske fluoroforer består av stoffer som meget ofte brukt sinksulfid og kjemisk lignende forbindelser, eller oksyder av de sjeldne jordmetaller . Hvis disse forbindelsene er dopet med såkalte aktivatorer , kan forskjellige farger produseres. Som aktivatorer er ofte di- og treverdig lantanid - kationer brukt. For eksempel produserer toverdige europium- kationer blått lys, mens de treverdige europium- kationene avgir rødt lys . Grønt lys produseres for eksempel av Cu + og Al 3+ -dopet sinksulfid.
Et stort spekter av brukbare lysbølgelengder og fargetemperaturer kan oppnås gjennom en passende sammensetning (blanding) av fosforene , hvorved lysmidlet kan tilpasses den respektive applikasjonen. I lysrør, for. B. avhengig av den anvendte lysgassen, etterlignet spektrum av sollys (kaldhvitt) eller glødelampen .
Også tritiumgass lyskilder benytter fluorescensen til en fosfor representert av beta-strålingen av tritium stimuleres.
Viser, viser og skjermer
I skjermer, skjermer og skjermer brukes ofte eksitasjon av fluorescerende fargestoffer ved elektronbombardement ( katodestrålerør ). Eksempler er vakuum fluorescerende skjermer ( Digitron ), katodestrålerør ( engelsk Cathode Ray Tube - CRT) og tuning indikatorrør ( magisk øye ).
Felles for dem er frigjøring av elektroner gjennom glødemisjon i vakuum og deres akselerasjon til et fosforlag gjennom en elektrisk spenning . Skyggekorsrøret som brukes til demonstrasjonsformål og feltemisjonsmikroskop , har derimot kalde katoder , og bildekonverteringsrør akselererer elektronene som genereres på en fotokatode og produserer et bilde på en liten fluorescerende skjerm .
Søknad innen biokjemi og medisin
Fluorescerende kjemiske grupper kan festes til store biomolekyler ved hjelp av et fluorescerende merke, som deretter fungerer som en veldig følsom markør for dette molekylet.
Søknadseksempler er:
- Når DNA automatisk sekvenseres ved hjelp av Sanger-metoden , har hver av de fire avsluttende nukleobasene til et stykke DNA sin spesifikke fluorescerende markør. Når de merkede DNA-molekylene skilles ut, blir markørene begeistret av UV-lys, og identiteten til markørene bestemmes ut fra bølgelengden til det utsendte lyset.
- Forbindelsen etidiumbromid viser knapt noen fluorescens når den fritt kan endre sin konformasjon i en løsning . Imidlertid øker binding til DNA sterkt fluorescens, noe som gjør den nyttig til å lokalisere fragmenter av DNA, f.eks. B. i agarosegelelektroforese .
- Aminosyrene tryptofan , tyrosin og fenylalanin fluorescerer når de blir begeistret av UV-lys , og fluorescens kan også observeres i proteiner og peptider som inneholder disse aminosyrene .
- Fluorescens brukes til påvisning på DNA-chips og proteinchips .
- I immunologi får antistoffer en fluorescerende kjemisk gruppe. Molekyler som disse antistoffene spesifikt binder seg til, kan gjenkjennes ved hjelp av fluorescensen og kan således - f.eks. B. i en celle - kan lokaliseres nøyaktig. Konsentrasjonen av disse molekylene ( antigenkonsentrasjon ) kan til og med bestemmes kvantitativt (se immunhistokjemi ).
- Fluorescensen til porfyriner (komponenter eller forløpere for hem og klorofyll ) kan brukes til å diagnostisere metabolske sykdommer ved hemdannelse og klorofyllfluorescens for å bestemme den fotosyntetiske aktiviteten. Porfyriner brukes også til in vivo-diagnose av epiteliale svulster og precancerous sykdommer :
- Siden hems blir syntetisert i levende vesener fra porfyriner, som fluorescerer når de er passende stimulert, er kvantitative målinger i blod-, avførings- og urinprøver mulig ved hjelp av høyytelses kromatografiske metoder ( HPLC ) og dermed uttalelser om metabolske prosesser i hemsbiosyntese.
- Under fotosyntese i organismer brukes klorofyll til å konvertere fotoner til kjemisk energi. Kan uttalelser om analyse av klorofyllfluorescens til tilstanden til fotosystem II og i sammenheng med miljøvern z. B. undersøke graden av skade på skog.
- Den fluorescens-diagnostikk (FD) ved hjelp av protoporfyrin IX (PpIX), som akkumuleres selektivt i eller på tumorceller. Fluorescensen fra PpIX kan deretter brukes i dermatologi og urologi for å lokalisere svulster.
- Fluorescerende proteiner som GFP ( grønt fluorescerende protein ) eller FMN-bindende fluorescerende proteiner fungerer som markører eller markører for et bredt spekter av molekyler og celleområder ( cellemembran , cytoplasma , cellekjerne , etc.). Med passende mikroskopiske metoder, som f.eks. B. konfokal fluorescensmikroskopi , kan biologiske prosesser i cellene gjøres synlige.
- Den avstandsavhengige aktivering av en fluorescerende akseptor etter eksitering av en nabodonor av FRET ( Förster resonans energioverføring ) brukes i biokjemi og cellebiologi for avstandsmålinger i nanometerområdet, så vel som for undersøkelse av proteinfold .
- Merking av proteiner for differensiell 2D- SIDE (2D-DIGE)
- FACS ( fluorescerende aktivert cellesorterer eller flowcytometri )
- FISK ( fluorescens in situ hybridisering ) kromosomanalyse
- Observasjon av enkeltmolekyler ved bruk av enkeltmolekylsfluorescensspektroskopi
- Den vitale fluorescens dobbeltfarging brukes til å skille mellom levende og døde celler.
- TRFIA = tidsoppløst fluoroimmuno-analyse. Eu 3+ ioner fluorescerer bare kortvarig i vann. Dette er grunnen til at chelateringsmidler brukes som bygger opp et hydrofobt miljø rundt Eu 3+ -ionene . Dette fører til en lengre varighet av fluorescensen. Dette gjør det mulig å skille den fra alle andre, kortvarige fluorescenser som kan forekomme i organiske blandinger.
I dataanalyse , egenskapene til proteiner og deres fluoriserende effekt på visse bølgelengder av lys blir brukt for å være i stand til å gjenkjenne blod , spytt , urin eller sperm . Siden disse stoffene ikke alltid er synlige for øyet i dagslys , er lysene utstyrt med spesielle filtre for å belyse spesifikke proteiner, avhengig av kroppsvæsken . For bedre gjenkjenning av de fluorescerende proteinsporene brukes briller med bredbåndsfilter, som maskerer den forstyrrende bakgrunnsfluorescensen og spredt stråling .
I frukt industrien , muggsopp kan oppdages under UV lys.
Visuell kunst
Bruk av fluoriserende farger er en stilistisk funksjon i psykedelisk kunst og samtidskunst lys kunst .
Se også
- Parametrisk fluorescens
- (Sensibilisert) kjemiluminescens
weblenker
- Fluorophores.org - database for fluorescerende fargestoffer TU Graz
- Fluorescence Spectra Viewer Invitrogen Corp.
- Fluorescens . I: Mineralien Lexikon
- Sodium resonance fluorescence LP (LehrPortal) of the Georg-August-Universität Göttingen
- Lysmikroskopi og fluorescens Universitetet i Wien
- Fluorescence Microscopy Omfattende interaktiv opplæring (Engl.)
- Teknologi for å observere den marine biofluorescensorganismen (Engl.)
- Biologisk betydning av biofluorescens fra marine organismer (tysk / engelsk)
- scinexx.de: Lysende natur - Hemmeligheten bak biofluorescens 30. august 2019
litteratur
- Werner Lieber: Skinnende krystaller - interessante fakta om fluorescens , Vetter Verlag, Wiesloch, 48 s., 1965 (pdf 15MB) .
- Werner Lieber: Fluorescens av mineraler , 5. spesialutgave for tidsskriftet "Der Aufschluss", VFMG Heidelberg, 62 s., 1957, (pdf 20MB) .
Individuelle bevis
- ^ GG Stokes: Om endring av lysets ombrytbarhet. I: Phil. Trans. 142, 1852, s. 463-562.
- ↑ David F. Gruber, Ellis R. Loew, Dimitri D. Deheyn, Derya Akkaynak, Jean P. Gaffney, W. Leo Smith, Matthew P. Davis, Jennifer H. Stern, Vincent A. Pieribone, John S. Sparks: Biofluorescence hos katthaj (Scyliorhinidae): Grunnleggende beskrivelse og relevans for Elasmobranch visuelle økologi. I: Sci. Rep. Bind 6, 2016, s. 24751, doi: 10.1038 / srep24751 .
- ↑ TV-rapport på ServusTV 25. mai 2016.
- Ico Nico K. Michiels et al.: Rød fluorescens i revfisk: En ny signalmekanisme? 2008, åpnet 14. mars 2011 .
- ↑ P. Chakrabarty, MP Davis, Wm. L. Smith, R. Berquist, KM Gledhill, LR Frank, JS Sparks: Evolution of the light organ system in ponyfishes (Teleostei: Leiognathidae). I: J. Morphol. 272, 2011, s. 704-721. doi: 10.1002 / jmor.10941
- ↑ JC Poggendorf (red.): Annalen der Physik. Volum 4, Verlag JA Barth, Leipzig 1854, s. 313.
- ↑ HJ Meyer (red.): New Konversations-Lexikon - En ordbok med generell kunnskap. Bind 6, Verlag Bibliographisches Institut, Hildburghausen 1863, s. 936.
- ↑ Optiske lysemidler: historie og grupper av stoffer . D. Weiß Online, Institutt for organisk kjemi og makromolekylær kjemi, Friedrich Schiller University Jena.
- ^ Ilya A. Osterman, Alexey V. Ustinov, Denis V. Evdokimov, Vladimir A. Korshun, Petr V. Sergiev, Marina V. Serebryakova, Irina A. Demina, Maria A. Galyamina, Vadim M. Govorun, Olga A. Dontsova : En begynnende proteomstudie som kombinerer klikkkjemi med 2DE . I: Proteomics . teip 13 , nr. 1. januar 2013, s. 17-21 , doi : 10.1002 / pmic.201200393 , PMID 23161590 ( cyandye.com [PDF]). En begynnende proteomstudie som kombinerer klikkjemi med 2DE ( Memento of the original datert 30. juni 2015 i Internettarkivet ) Info: Arkivkoblingen er satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen.
- ↑ Mark Patrick Vogel: Oppdagelse av rettsmedisinske relevante spor ved hjelp av lyskilden Superlite 400. Avhandling. Ludwig Maximilians University, München 2008.