Lumineszenz

luminescence

Lumineszenz ist eine spontane Emission von Strahlung von Objekten, die sich in einem angeregten Zustand und nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung befinden (IUPAC 2014).

Atome und Moleküle liegen normalerweise im Grundzustand vor, das heißt im Zustand kleinster potenzieller Energie. Bei Aufnahme (Absorption) von Energie (z. B. Licht) durch einen Dipol, d. h. ein Objekt mit räumlich ungleichmäßiger Ladungsverteilung, können nicht nur die äußeren Elektronen von Atomen auf ein höheres Energieniveau gehoben werden, sondern auch die Molekülschwingungen und/oder -rotationen verstärkt werden. Die Energiezustände für die elektronischen und vibratorischen Niveaus eines Moleküls lassen sich nach dem Jablonski-Termschema (Abb. 1) charakterisieren.

Man unterscheidet zwischen Singulett- (S₀, S₁, S₂; Elektronen haben antiparallelen Spin) und Triplett-Zuständen (T₁, T₂; Elektronen haben parallelen Spin). Bricht die Anregung ab, kehren die Moleküle in den Grundzustand zurück. Dies geschieht durch Schwingungsrelaxation, das heißt einen strahlungsfreien Übergang aus dem angeregten in den normalen Schwingungs- und/oder Rotationszustand und dann, unter Emission von Strahlung, durch Rückkehr der Elektronen auf ihr Ausgangsniveau. Die strahlungsfreie Schwingungsrelaxation ist die Ursache für eine Differenz zwischen der Energie der Anregungsstrahlung und jener der emittierten Strahlung. Infolge dessen ist die Wellenlänge des emittierten Lichts größer (d. h. nach Rot verschoben) als jene des anregenden Lichts:

In Abhängigkeit von der Verweildauer der Objekte im angeregten Zustand und daraus folgend der Sichtbarkeit des emittierten Lichts nach Abbruch der Anregungsstrahlung unterscheidet man Fluoreszenz (ca. 10⁻⁸ s, d. h., die Lichtemission überdauert die Anregungsphase nicht) und Phosphoreszenz (bis zu Stunden Nachleuchten nach Abschalten der Anregung; sog. verbotener Übergang vom T- in den S-Zustand, der länger dauert). Fluoreszenz und Phosphoreszenz sind also Varianten der Lumineszenz.

In Abhängigkeit von ihrer Ursache unterscheidet man verschiedene Lumineszenztypen. Für das klinisch-chemische Labor sind die Photolumineszenz (Lichtanregung) und Chemolumineszenz (im Ergebnis chemischer Reaktionen) von Bedeutung. Biolumineszenz (Biolumineszenz, allgemein), eine durch chemische Reaktionen in lebenden Organismen hervorgerufene Lumineszenz, hat dagegen keine Bedeutung im Routinelabor. Grundlage für die Nutzung von Lumineszenzeffekten in der klinisch-chemischen Analytik ist die Emission von Licht im UV/VIS- oder IR-Wellenlängenbereich: Lumineszenz kann auf die Präsenz einer bestimmten Verbindung hinweisen. Mit geeigneten Kalibrationsfunktionen kann man aus der Intensität der Lumineszenzstrahlung die Konzentration eines Analyten in der Probe bestimmen.