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Quenching-Effekt

Dieser Artikel bezieht sich auf die Abnahme der Fluoreszenzintensität. Weitere Bedeutungen siehe Quenching.

Der Effekt der Fluoreszenzlöschung / des Quenching bezeichnet Vorgänge, die eine Abnahme in der Intensität der Fluoreszenz eines Fluorophors zur Folge haben. Es existiert eine Reihe von Effekten, die zur Fluoreszenzlöschung führen, z.B.:

Vom Quenching zu unterscheiden ist die Abnahme der Fluoreszenz aufgrund hoher Anregungsintensitäten oder (meist ungewollter) chemischer Veränderungen des Farbstoffes z.B. durch Oxidation in Anwesenheit von Sauerstoff. Diese Art der Fluoreszenzabnahme bezeichnet man als Ausbleichen des Farbstoffes oder Photobleichung. Das Fluorophor wird dabei irreversibel zerstört, während die Fluoreszenzlöschung eines Fluorophors durch einen Quencher reversibel ist: Die Fluoreszenz steigt wieder an, sobald der Quencher entfernt wird.

Inhaltsverzeichnis

Quenching-Effekte

Zu den Quenching-Effekten gehören alle die Vorgänge, die entweder den angeregten Zustand des Fluorophors strahlungslos in den Grundzustand überführen oder aber verhindern, dass das Fluorophor in den angeregten Zustand übergehen kann.

Dynamisches Quenching

Beim dynamischen Quenching wird die Energie des angeregten Fluorophores durch den Zusammenstoß mit einem Quenchermolekül auf dieses Quenchermolekül übertragen, wobei die Energie letztlich in Wärme übergeht. Diese Art des Quenchings wird auch als Stoßlöschung bezeichnet.

Die Verringerung der Fluoreszenz durch dynamisches Quenching kann mit der der Stern-Volmer-Gleichung, speziell mit der Stern-Volmer-Gleichung für dynmisches Quenching, beschrieben werden.

Statisches Quenching

Beim statischen Quenching bilden Fluorophor und Quenchermolekül einen Komplex, dessen Fluoreszenz verringert ist oder ganz ausbleibt. Durch die Komplexbildung wird die Konzentration fluoreszenzfähiger Fluorophore verringert.

Die Verringerung der Fluoreszenz durch statisches Quenching kann mit einer Abwandlung der Stern-Volmer-Gleichung, der Stern-Volmer-Gleichung für statisches Quenching, beschrieben werden.

Resonanz Energie Transfer

Beim Resonanz Energie Transfer wird die Energie des angeregten Zustandes des Fluorphors D (Donor) strahlungslos durch Resonanzeffekte auf ein zweites Molekül A (Aktzeptor) übertragen. Dadurch verringert sich die Fluoreszenz des Fluorophors D. Der Resonanz Energie Transfer kann über den Förster Transfer beschrieben werden.

Mischeffekte

Häufig ist eine Quenchermolekül-Spezies in der Lage über mehr als einen Effekt das Fluorophor zu quenchen. Es entstehen dann Mischeffekte. Häufig treten dynamisches Quenching und statisches Quenching gemeinsam auf.

Die Verringerung der Fluoreszenz durch gleichzeitiges dynamisches und statisches Quenching kann durch an Erweiterung der Stern-Volmer-Gleichung für das Mischquenching beschrieben werden.

Anwendungen

Da die Löschung der Fluoreszenz ein leicht zu beobachtendes Phänomen ist, bietet sie sich als Indikator für auf molekularer Ebene stattfindende Prozesse an. Das grundlegende Prinzip kann dabei beispielsweise sein, dass durch die An- oder Abwesenheit einer Ziel-Substanz in Lösung ein Fluorophor und sein Quencher einander nahe gebracht oder voneinander entfernt werden.

Es existieren optische Sensoren, die indirekt, über die gezielte Detektierung solcher Veränderungen der Fluoreszenz, den Eintritt bestimmter Ereignisse erkennen.

Indikator für Kalium-Ionen

So existiert z.B. ein Nachweis für Kalium-Ionen, mithilfe eines kurzen DNA-Fragments (Telomer-Sequenz) an dessen Enden Farbstoff und Quencher kovalent gebunden sind. In Lösung sind sie voneinander getrennt und der Farbstoff fluoresziert. Wickelt sich das DNA-Stück jedoch um ein Kalium-Ion, so berühren sie sich und die Fluoreszenz wird gelöscht.

Indikator für DNA-Hybridisierung

Ein anderer Nachweis nutzt die Tatsache, dass DNA, sobald sie mit ihrem Gegenstrang hybridisiert, eine steifere, lineare Form einnimmt. In dieser Anwendung wird die Löschung beendet, sobald bei Anwesenheit eines korrekt basenpaarenden Gegenstranges, Fluorophor und Quencher, die an den Enden des Stranges angebracht sind, voneinander getrennt werden.

Indikator für gelösten Sauerstoff

Darüber hinaus existieren Rubidium-Komplexe, bei denen der Grad der Fluorezenzlöschung ein Maß für die Sauerstoff-Sättigung einer Lösung angibt.

Siehe auch