Wie funktioniert ein Fluorophor?

Ein Fluorophor, auch Fluoreszenzfarbstoff oder Fluoreszenzmolekül genannt, ist ein Molekültyp, der bei Lichtanregung Licht wieder abgeben kann. Hier ist eine detaillierte Erklärung, wie ein Fluorophor funktioniert:

Erregung

  • Wenn ein Fluorophor Photonen (Lichtenergie) einer bestimmten Wellenlänge absorbiert, wird er angeregt. Das bedeutet, dass seine Elektronen aus einem Grundzustand in einen angeregten Zustand mit höherer Energie gehoben werden.

Was ist die Wellenlänge?

Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen einer Lichtwelle. Er bestimmt die Farbe des Lichts, das wir sehen.

  • Kürzere Wellenlängen : Höhere Energie, oft als blaues oder violettes Licht sichtbar.
  • Längere Wellenlängen : Niedrigere Energie, oft als rotes oder orangefarbenes Licht sichtbar.

Lebensdauer des angeregten Zustands

  • Der angeregte Zustand ist nicht stabil, daher verbringt der Fluorophor nur eine sehr kurze Zeit (normalerweise Nanosekunden) in diesem Zustand. Während dieser Zeit geht ein Teil der absorbierten Energie als Wärme oder durch andere nicht strahlende Prozesse verloren.

Emission

  • Die verbleibende Energie wird dann als Lichtphoton freigesetzt, wenn das Elektron in seinen Grundzustand zurückkehrt. Das emittierte Licht hat aufgrund der während der Lebensdauer des angeregten Zustands verlorenen Energie eine längere Wellenlänge (niedrigere Energie) als das absorbierte Licht. Dieses Phänomen ist als Stokes-Verschiebung bekannt.

Wellenlänge und Energie

Längere Wellenlängen des Lichts entsprechen einer geringeren Energie. Diese Beziehung wird durch die Gleichung E=hcλE=λhc​ beschrieben, wobei:

  • EE ist die Energie des Photons,
  • hh ist die Plancksche Konstante (6,626×10−34 J⋅s6,626×10−34J⋅s),
  • cc ist die Lichtgeschwindigkeit (3×108 m/s3×108m/s),
  • λλ ist die Wellenlänge des Lichts.

Aus dieser Gleichung geht hervor, dass die Energie EE umgekehrt proportional zur Wellenlänge λλ ist. Daher nimmt die Energie mit zunehmender Wellenlänge ab. Umgekehrt haben kürzere Wellenlängen eine höhere Energie.

Dieses Prinzip ist für das Verständnis der Fluoreszenz von grundlegender Bedeutung, da das von einem Fluorophor emittierte Licht aufgrund des Energieverlusts, der während des angeregten Zustands auftritt, typischerweise eine längere Wellenlänge (und damit eine geringere Energie) hat als das absorbierte Licht.

Fluoreszenz

  • Das emittierte Licht ist das, was wir als Fluoreszenz wahrnehmen. Die spezifischen Wellenlängen des absorbierten und emittierten Lichts sind charakteristisch für den jeweiligen Fluorophor und ermöglichen die Identifizierung und Unterscheidung verschiedener Fluorophore.


Wichtige Eigenschaften von Fluorophoren

  • Anregungs- und Emissionsspektren : Jeder Fluorophor hat spezifische Wellenlängen, bei denen er Licht absorbiert (Anregung) und emittiert (Emission).
  • Quantenausbeute : Dies ist das Verhältnis der Anzahl der emittierten Photonen zur Anzahl der absorbierten Photonen. Eine höhere Quantenausbeute bedeutet eine effizientere Fluoreszenz.
  • Photostabilität : Hiermit ist die Widerstandsfähigkeit eines Fluorophors gegenüber Photobleichen (Verlust der Fluoreszenz durch längere Lichteinwirkung) gemeint.
  • Helligkeit : Dies ist ein Maß für die Intensität der emittierten Fluoreszenz und wird durch das Produkt aus Extinktionskoeffizient (wie gut der Fluorophor Licht absorbiert) und der Quantenausbeute bestimmt.

Anwendungen

Fluorophore werden in zahlreichen biologischen und medizinischen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Fluoreszenzmikroskopie, der Durchflusszytometrie und dem Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET), um biologische Strukturen und Prozesse auf molekularer und zellulärer Ebene zu untersuchen.

Die zentralen Thesen

  • Fluorophore absorbieren kürzere Wellenlängen und emittieren längere Wellenlängen
  • Die Reaktion ist superschnell, normalerweise müssen Sie gleichzeitig den Fluorophor anregen.
  • Fluorophore werden normalerweise nach der Farbe benannt, die sie ausstrahlen. (Besser ist es jedoch, das Anregungslicht anzugeben, das sie benötigen.)
  • Fluorophorspektren unterscheiden sich voneinander
Zurück zum Blog