Was ist Fluoreszenzspektroskopie?
Die Fluoreszenzspektroskopie analysiert die Fluoreszenz von Molekülen anhand ihrer fluoreszierenden Eigenschaften.
Fluoreszenz ist die Lumineszenz, die auftritt, wenn ein Molekül von einem Photon in einen elektronisch angeregten Zustand versetzt wird, um in den Grundzustand zurückzukehren.
Die Fluoreszenzspektroskopie verwendet einen Lichtstrahl, um Elektronen in bestimmten Verbindungsmolekülen anzuregen und sie dazu zu bringen, Licht zu emittieren. Licht durchdringt einen Monochromator und dringt in einen Detektor ein, wo es detektiert wird, der zur Messung und Identifizierung von Molekülen oder Veränderungen in Molekülen verwendet wird.
Einführung in die Fluoreszenz-Steady-State-Spektroskopie und Lebensdauerprüfung
Fluoreszenz bezieht sich allgemein auf das Phänomen der Lumineszenz, des von Molekülen emittierten Lichts. Es gibt verschiedene Arten von Glühen.
Photolumineszenz ist die Emission von Photonen, die durch Lichtenergie oder Photonen angeregt werden.
Chemilumineszenz, definiert als die Lumineszenz von Photonen, die durch chemische Energie angeregt werden, umfasst Biolumineszenz, wie sie bei Glühwürmchen und vielen Meereslebewesen beobachtet wird.
Elektrolumineszenz ist die Emission von Photonen, wenn elektrische Energie oder ein starkes elektrisches Feld Photonen stimuliert, wie in einigen Beleuchtungsanwendungen.
Insbesondere ist Fluoreszenz eine Art von Photolumineszenz, bei der Licht Elektronen in einen angeregten Zustand versetzt. Der angeregte Zustand verliert durch Vibration schnell Wärmeenergie an die Umgebung und emittiert dann Photonen aus dem niedrigsten angeregten Zustand des Singuletts. Dieser Photonenemissionsprozess konkurriert mit anderen nicht-strahlenden Prozessen, einschließlich Energieübertragung und Wärmeverlust.
Wenn der Begriff "Fluoreszenz" verwendet wird, gilt im Allgemeinen die gleiche Messmethode für jede der oben genannten Lumineszenzklassen.
Was ist Fluoreszenzspektroskopie?
Fluoreszenzanregung und Emissionsspektren, die sich spiegeln. Die Fluoreszenzspektroskopie nutzt Emission und Anregung, um zu sehen, wie sich eine Probe verändert.
Abb. 1: Ein Fluoreszenzanregungsspektrum (blau) und ein Emissionsspektrum (violett) sind Spiegelbilder voneinander
Steady-State-Fluoreszenzspektroskopie ist, wenn ein Molekül fluoresziert, wenn es von einer konstanten Lichtquelle angeregt wird, und die emittierten Photonen oder die Intensität als Funktion der Wellenlänge detektiert werden. Fluoreszenz-Emissionsspektrum ist, wenn die Anregungswellenlänge festgelegt ist, die Emissionswellenlänge gescannt wird und die Beziehung zwischen der Intensität und der Emissionswellenlänge erhalten wird.
Das Fluoreszenzanregungsspektrum ist, wenn die Emissionswellenlänge festgelegt wird, indem die Wellenlänge des Anregungsmonochromators geändert und die Intensität bei verschiedenen Wellenlängen abgetastet wird. Auf diese Weise liefert das Spektrum Informationen über die Proben- und Absorptionswellenlängen, um die optimale Einzelemissionswellenlänge für die Detektion von Emissionen auszuwählen. Es ähnelt der Absorptionsspektroskopie, ist aber eine empfindlichere Technik in Bezug auf Nachweisgrenzen und molekulare Spezifität. Anregungsspektren sind spezifisch für eine einzelne Emissionswellenlänge/Spezies relativ zu den Absorptionsspektren aller absorbierenden Spezies in der Messlösung oder Probe. Die Emissions- und Anregungsspektren eines gegebenen Fluorophors sind Spiegelbilder voneinander. Typischerweise treten Emissionsspektren bei höheren Wellenlängen (niedrigere Energien) auf als Anregungs- oder Absorptionsspektren
Diese beiden Spektraltypen (Emission und Anregung) werden verwendet, um zu beobachten, wie sich die Probe verändert. Die spektrale Intensität und die Spitzenwellenlänge können mit Variablen wie Temperatur, Konzentration oder Wechselwirkungen mit umgebenden Molekülen variieren. Dazu gehört das Abschrecken von Molekülen und Molekülen oder Materialien, die an der Energieübertragung beteiligt sind. Einige Fluorophore reagieren empfindlich auf Eigenschaften der Lösungsmittelumgebung wie pH-Wert, Polarität und bestimmte ionische Konzentrationen.
Welche Arten von Molekülen oder Materialien zeigen Fluoreszenz?
Fluoreszenzemissionsspektren einiger gängiger Fluorophore. Fluorophore spielen die zentrale Rolle in der Fluoreszenzspektroskopie und machen diese Art der Spektroskopie zu einer hochempfindlichen Technik.
Abb. 2: Fluoreszenzemissionsspektren einiger gängiger Fluorophore über das UV- und sichtbare Spektrum
Fluoreszierende Moleküle und Materialien gibt es in allen Formen und Größen. Einige sind von Natur aus fluoreszierend, wie Chlorophyll und die Aminosäurereste Tryptophan (Trp), Phenylalanin (Phe) und Tyrosin (Tyr). Andere sind Moleküle, die als stabile organische Farbstoffe oder Tags synthetisiert werden, die anderen nicht-fluoreszierenden Systemen zugesetzt werden können. Im Allgemeinen haben organische fluoreszierende Moleküle strukturelle Merkmale wie aromatische Ringe und π-konjugierte Elektronen. Abhängig von ihrer Größe und Struktur emittieren organische Farbstoffe Licht in Wellenlängen vom Ultraviolett bis zum nahen Infrarot.
Im Folgenden finden Sie einige zufällige häufige Fluorophore, deren Emission über den UV-Vis-Bereich hinweg zu sehen ist. Für einige Seltenerdelemente, wie Lanthanide, treten aufgrund der Befüllung der höheren Elektronenorbitale elektronische Übergänge aufgrund des Ladungstransfers von Metallliganden zwischen 4f-5d oder sogar 4f-4f Orbitalen auf. (Bunzli, 1989) Es gibt viele Moleküle, die in der Natur Licht emittieren, wie einige Aminosäuren, Chlorophyll und natürliche Pigmente. Wieder andere sind sorgfältig für spezielle Anwendungen in der Fluoreszenzspektroskopie konzipiert
Beispiele für fluoreszierende Moleküle und Materialien:
Aminosäuren (Trp, Phe, Tyr)
Basenpaarderivate (2-AP, 3-MI, 6-MI, 6-MAP, Pyrrol-c, tC)
Chlorophyll
Fluoreszierende Proteine (FPs)
Organische Farbstoffe (Fluorescein, Rhodamin, n-Aminocumarine und deren Derivate)
Seltene Erden (Lanthanide)
Halbleiter
Quantenpunkte
einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen
Solarbatterie
Pigmentierung, Galvanik
Leuchtstoff
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Andere Moleküle und Materialien wie fluoreszierende Proteine, Halbleiter, Leuchtstoffe und Seltenerdelemente sind häufig verwendete fluoreszierende Proben. Polymere, die konjugierte aromatische Kohlenwasserstoffe oder Diene enthalten, haben oft auch fluoreszierende Eigenschaften. Natürlich haben Wissenschaftler auch an der Schaffung neuer Materialien gearbeitet.
