Der Begriff «linear» in einem linearen Gradientenfilter bezieht sich auf die Tatsache, dass seine spektralen Eigenschaften an verschiedenen Orten unterschiedlich variieren und linear mit der räumlichen Position verändern. Lineare Gradientenfilter bieten Vorteile wie eine kontinuierliche Wellenlängenvariation, wählbare Kanäle und eine stabile Leistung. Dank Verfahren wie der ionenunterstützten Abscheidung oder der Ionenstrahlzerstäubung – bei denen mehrschichtige Filme unterschiedlicher Dicke auf die Substratoberfläche abgeschieden werden, um keilförmige Filmschichten zu bilden – zeigen die spektralen Eigenschaften des Filters eine lineare Variation.

Im Vergleich zu herkömmlichen schmalbandigen Filtern bieten lineare Gradientenfilter nahezu kontinuierliche spektrale Kanäle; daher kann die Verwendung linearer Gradientenfilter in der Spektroskopie eine höhere spektrale Auflösung erzielen. Im Vergleich zu spektroskopischen Abbildungsgeräten wie Prismen und Gittern zeichnen sich spektroskopische Abbildungssysteme auf Basis linearer Gradientenfilter durch hohe Integration, hohe Stabilität und hohe Auflösung aus. Diese Systeme verfügen über eine kompakte Gesamtstruktur, geringe Abmessungen und ein niedriges Gewicht und weisen zudem niedrigere Forschungs-, Entwicklungs- und Herstellungskosten auf, was sie für praktische Anwendungen äußerst vielversprechend macht. Lineare Gradientenfilter können außerdem in Bereichen wie tragbaren Spektrometern, optischen Zweitrangtrennungen oder -abschnitten mittels Gitter sowie bei der Konstruktion von Laser-Spiegeln eingesetzt werden.

Ein linear variierender Filter (LVF) ist ein neuartiges spektroskopisches Bauteil, das nach der Entwicklung von Prismen, Gittern und verschiedenen kürzlich eingeführten spektral aufspaltenden Elementen entstanden ist. Im Vergleich zu traditionellen spektroskopischen Komponenten wie Prismen und Gittern bieten LVFs Vorteile wie kompakte Abmessungen, mehrere Transmissionsbänder sowie eine flexible Abstimmung der Bandpositionen. Da LVFs mit CCD-/CMOS-Detektorarrays kombiniert werden können, um Detektoren zu bilden, die in der Lage sind, Spektren zu erkennen, vereinfachen sie spektroskopische Systeme erheblich und steigern Zuverlässigkeit, Stabilität und optische Effizienz der Geräte – wodurch sie zunehmend Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Spektrometer, deren Herzstück ein LVF als spektroskopisches Element bildet, wurden bereits erfolgreich in zahlreichen Bereichen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Feldexploration, atmosphärische Überwachung, Lebensmittelsicherheitsprüfung, Biofluidanalytik sowie Multi-/Hyperspektralaufnahmen.

Anwendung:

Spektrale Bildgebungstechnologie

Im Vergleich zu spektralen Bildgebern, die auf Prismen und Gittern basieren, bieten spektrale Bildgeber, die lineare Gradientenfilter verwenden, Vorteile wie hohe Integration, hohe Stabilität und hohe Auflösung. Ihr Gesamtdesign ist kompakt, mit geringer Größe und leichtem Gewicht; zudem weisen sie niedrigere Forschungs-, Entwicklungs- und Herstellungskosten auf, was sie für praktische Anwendungen äußerst vielversprechend macht.

Lineare Gradientenfilter können auch in tragbaren Spektrometern, bei gitterbasierten Lichttrennungs- bzw. -abschneideverfahren zweiter Ordnung, in Laser-Spiegelaufbauten und anderen verwandten Bereichen eingesetzt werden.

Abschneidebereich: Der Abschneidebereich bezieht sich auf das Wellenlängenintervall, das den spektralen Bereich der durch den Filter gedämpften Energie darstellt. Der Grad der Blockierung wird üblicherweise in Form der optischen Dichte angegeben.

Optische Dichte (OD): OD steht für optische Dichte. Wenn Licht durch eine Probe hindurchtritt, wird ein Teil des Lichts absorbiert. Die OD gibt das Maß für die Energie an, die vom Filter blockiert oder abgelehnt wird; sie ist ein spezialisierter Begriff, der in Nachweismethoden verwendet wird. Die Maßeinheit für die OD wird als OD-Wert ausgedrückt und berechnet sich wie folgt: OD = lg(1/trans), wobei trans die Transmission der zu messenden Probe bezeichnet. Ein hoher OD-Wert deutet auf eine geringe Transmission hin, während ein niedriger OD-Wert auf eine hohe Transmission hindeutet. Eine OD von 6,0 oder höher eignet sich für Anwendungen, die eine extreme Blockierung erfordern, wie etwa Raman-Spektroskopie oder Fluoreszenzmikroskopie. Eine OD zwischen 3,0 und 4,0 ist ideal für laserbasierte Trenn- und Reinigungsverfahren, maschinelles Sehen sowie chemische Nachweise, während eine OD von 2,0 oder weniger optimal für Farbsortierung und die Trennung nach spektralen Ordnungen ist.

OD* gibt den Grenzwert an; entsprechend OD1 bis OD6 reicht die Transmission des Grenzwellenlängenbereichs von 0,1 bis 0,000001.
OD-Nummer, Durchlässigkeit bei der Grenzwellenlänge
OD1 = 0,1, das entspricht 10 %.
OD2 = 0,01 oder 1 %
OD3 = 0,001, das entspricht 0,1 %.
OD4 = 0,0001, was 0,01 % entspricht.
OD5 = 0,00001, was 0,001 % entspricht.
OD6 = 0,000001, das entspricht 0,0001 %.

Fristnummer Fristband

A 400~1100 nm

B 300~1200 nm

C 200~2000 nm

D 400–700 nm

E 400~800 nm

F 400–1000 nm

G 300~900 nm

H 500~1000 nm

Ich 800~1000 nm

J 700~1200 nm

K 200~1100 nm

L 200~1200 nm

M 200~1400 nm

N 400~1200 nm

O 200~1150 nm

P 200~800 nm

Q 350~700 nm

U 200–700 nm

V 300~950 nm

W 200~1000 nm

X 200~750 nm

Zum Beispiel:

OD3-A: Die Transmission von Lichtwellen im Wellenlängenbereich von 400–1100 nm beträgt 0,001, wobei die Spektralbänder auf beiden Seiten der zentralen Wellenlänge, die jeweils die Hälfte der Bandbreite umfassen, ausgenommen sind.

OD3-B: Die Transmission von Lichtwellen im Wellenlängenbereich von 300–1200 nm beträgt 0,001, wobei die Spektralbänder auf beiden Seiten der Mittenwellenlänge, die jeweils die Hälfte der Bandbreite umfassen, ausgenommen sind.

OD3-C: Die Transmission von Lichtwellen im Wellenlängenbereich von 200–2000 nm beträgt 0,001, wobei die Spektralbänder auf beiden Seiten der zentralen Wellenlänge, jeweils mit einer Breite von der Hälfte der Gesamtbandbreite, ausgenommen sind.

OD3-D: Die Transmission von Lichtwellen im Wellenlängenbereich von 400–700 nm beträgt 0,001, wobei das Band ausgeschlossen ist, das jeweils die Hälfte der Bandbreite auf beiden Seiten der zentralen Wellenlänge umfasst.

OD3-K: Die Transmission von Lichtwellen im Wellenlängenbereich von 200–1100 nm beträgt 0,001, wobei die Spektralbänder auf beiden Seiten der zentralen Wellenlänge, die jeweils die Hälfte der Bandbreite umfassen, ausgenommen sind.

OD4-A: Die Transmission von Lichtwellen im Wellenlängenbereich von 400–1100 nm beträgt 0,0001, wobei die Spektralbänder auf beiden Seiten der Mittelwellenlänge, die jeweils die Hälfte der Bandbreite umfassen, ausgenommen sind.

OD4-B: Die Transmission im Wellenlängenbereich von 300–1200 nm beträgt 0,0001, wobei das Band ausgeschlossen ist, das jeweils die Hälfte der Bandbreite auf beiden Seiten der zentralen Wellenlänge umfasst.

OD4-C: Die Transmission im Wellenlängenbereich von 200–2000 nm beträgt 0,0001, wobei die Spektralbänder auf beiden Seiten der Mittenwellenlänge, jeweils mit einer Breite von der Hälfte der Gesamtbandbreite, ausgenommen sind.

OD4-D: Die Transmission von Lichtwellen im Wellenlängenbereich von 400–700 nm beträgt 0,0001, wobei das Band ausgeschlossen ist, das jeweils auf halber Bandbreite beidseitig der zentralen Wellenlänge liegt.

OD4-K: Die Transmission im Wellenlängenbereich von 200–1100 nm beträgt 0,0001, wobei die Spektralbänder auf beiden Seiten der Mittenwellenlänge, die jeweils die Hälfte der Bandbreite umfassen, ausgenommen sind.

Die Grenzwellenlänge ist ein Begriff, der verwendet wird, um die Wellenlänge zu bezeichnen, bei der die Transmission durch den Filter auf 50 % ansteigt. Die Grenzwellenlänge wird in der nachfolgenden Abbildung mit λcut-on gekennzeichnet.

Die Grenzwellenlänge ist ein Begriff, der verwendet wird, um die Wellenlänge zu beschreiben, bei der die Durchlässigkeit eines Filters auf 50 % abfällt. Die Grenzwellenlänge wird in der nachfolgenden Abbildung mit λcut-off bezeichnet.

Illustration der Grenzwellenlänge

Optische Filter sind optische Geräte, die dazu dienen, bestimmte Wellenlängenbereiche der Strahlung auszuwählen. Sie können einen Teil des Spektrums selektiv durchlassen und die Übertragung der übrigen Bereiche blockieren. Optische Filter werden häufig in Mikroskopen, der Spektroskopie, der chemischen Analyse und der Maschinenvisualisierung eingesetzt.

Durchlässigkeit (T): Angenommen, die anfängliche Lichtintensität beträgt 100 %. Nach dem Durchgang durch einen Filter geht ein Teil des Lichts verloren. Wenn die gemessene Durchlässigkeit nach dem Filtern nur noch 80 % des Ausgangswerts beträgt, dann sagen wir, dass die optische Durchlässigkeit dieses Filters nur 80 % beträgt.

Mittlere Wellenlänge (CWL): Die mittlere Wellenlänge, die zur Definition eines Bandpassfilters verwendet wird, ist der Mittelpunkt der spektralen Bandbreite, über die der Filter transmittiert. Konkret bezieht sich dies auf die Wellenlänge, die tatsächlich in der praktischen Anwendung des Filters verwendet wird – zum Beispiel, wenn der Hauptpeak einer Lichtquelle eine 800-nm-LED ist, dann wäre die erforderliche mittlere Wellenlänge 800 nm.

Volle Breite bei Halbmaxima (FWHM): Der vollständige Name lautet »volle Breite bei halbem Maximum« und wird häufig mit FWHM abgekürzt. Sie dient zur Charakterisierung der Bandbreite des spektralen Bereichs, den ein Bandpassfilter durchlässt. Konkret werden die oberen und unteren Grenzen dieser Bandbreite durch die Wellenlängen definiert, bei denen die Transmission des Filters 50 % seines maximalen Wertes erreicht. Wenn beispielsweise ein Filter eine maximale Transmission von 90 % aufweist, bestimmen die Wellenlängen, bei denen die Transmission des Filters auf 45 % absinkt, die oberen und unteren Grenzen der FWHM. Eine FWHM von 10 nm oder weniger gilt als schmalbandig und wird üblicherweise in Anwendungen zur Laserreinigung und chemischen Sensorik eingesetzt. Eine FWHM zwischen 25 und 50 nm wird typischerweise in Anwendungen der maschinellen Bildverarbeitung verwendet; eine FWHM von mehr als 50 nm gilt als breitbandig und findet häufig Anwendung in der Fluoreszenzmikroskopie.

Fluoreszenzfilter bestehen in der Regel aus einer dreischichtigen Kombination: einem Anregungsfilter, einem Emissionsfilter und einem dichroitischen Spiegel.

Spannender Filter (Exciter-Filter, Anregungsfilter): In der Fluoreszenzmikroskopie lässt dieser Filter nur Wellenlängen durch, die die Fluoreszenz anregen können. Früher wurden kurzwellenlängendurchlassende Filter verwendet; heutzutage kommen überwiegend Bandpassfilter zum Einsatz. Das Filtergehäuse ist mit einem Pfeil gekennzeichnet, der die empfohlene Ausbreitungsrichtung des Lichts angibt.

Emissionsfilter (Emissionsfilter, Barrierefilter, Emitter): Dieser Filter selektiert und überträgt die von der Probe emittierte Fluoreszenz und blockiert gleichzeitig andere Lichtwellenlängen. Die Emissionswellenlänge ist länger als die Anregungswellenlänge (näher am roten Ende des Spektrums). Als Emissionsfilter kann entweder ein Bandpassfilter oder ein Langpassfilter verwendet werden. Das Gehäuse des Filters ist mit einem Pfeil gekennzeichnet, der die empfohlene Ausbreitungsrichtung des Lichts angibt.

Dichroitischer Spiegel (Dichroitischer Strahlenteiler, Dichromatischer Strahlenteiler): Auch als dichroitischer Filter oder farbzerlegender Spiegel bekannt. Er wird in einem Winkel von 45° zum optischen Weg des Mikroskops positioniert. Dieser Filter reflektiert eine Lichtfarbe (Anregungslicht) und lässt eine andere Lichtfarbe (Emissionslicht) durch. Die Reflexion des Anregungslichts beträgt mehr als 90 %, und die Transmission des Emissionslichts übersteigt ebenfalls 90 %. Der Teil des Spektrums, der den Filter nicht passieren kann, wird reflektiert anstatt absorbiert zu werden. Da die Farben des durchgelassenen und des reflektierten Lichts einander ergänzen, wird dieser Filter auch als dichroitischer Filter bezeichnet.

Fluoreszenzfilter, kurz für Fluoreszenzbildungsfilter, sind entscheidende Komponenten, die in biomedizinischen und lebenswissenschaftlichen Geräten eingesetzt werden. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die charakteristischen spektralen Bereiche des Anregungslichts und der emittierten Fluoreszenz in biomedizinischen Fluoreszenznachweis- und Analysegeräten zu trennen und auszuwählen. In der Regel müssen diese Filter eine optische Dichte (OD)-Abschneidegrenze von mindestens 5 aufweisen (optische Dichte, OD = -lgT). Zu den zentralen Anforderungen an Filter, die in Fluoreszenznachweissystemen verwendet werden, gehören eine hohe Abschneidesteilheit, eine hohe Durchlässigkeit, eine hohe Positioniergenauigkeit, eine tiefe Abschneidegrenze sowie ausgezeichnete Umgebungsstabilität.

Die Filterung ist ein wesentlicher Schritt in optischen Prozessen wie Bildgebung und Erkennung, zum Beispiel:

1. Infrarot-Sperrfilter: Ein optischer Filter, der sichtbares Licht durchlässt, während er infrarotes Licht blockiert oder reflektiert. Dieses Produkt wird in Bildaufnahmekameras für Anwendungen eingesetzt, darunter Mobiltelefone, Kameras, Fahrzeugsysteme, PCs, Tablets und Sicherheitsüberwachungssysteme.

2. Tiefpassfilter: Entfernt Moiré-Muster und Korrekturen für chromatische Aberrationen, die durch hochfrequente Lichtwellen verursacht werden. Das Produkt wird in Digitalkameras, Videokameras und Überwachungsmonitoren eingesetzt.

3. Fingerabdruckfilter unter dem Display: Lässt grünes Licht durch, blockiert jedoch alle anderen Wellenlängen.

4. Schmalbandfilter: Auf einem Substrat wie Glas wird eine schmalbandige optische Beschichtung aufgebracht, die eine hohe Transmission von Licht innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs ermöglicht und gleichzeitig eine tiefe Abschneidung für andere Wellenlängen gewährleistet. Der Filter sorgt außerdem auch bei Einfall unter großem Winkel für eine minimale spektrale Verschiebung. Dieses Produkt findet Anwendung in Abstandssensoren sowie in den Sende- und Empfangsmodulen von 3D-Kameras.

In den letzten Jahren hat sich der Einsatz unserer Produkte in Mobiltelefonen stetig erhöht, begünstigt durch technologische Fortschritte wie Multikamerasysteme in Handys, Periskop-Teleobjektive, 3D-strukturiertes Licht für die Frontkamera, nach hinten montierte Time-of-Flight-(TOF)-Sensoren, Fingerabdruckerkennung unter dem Display sowie Glasrückseiten. Dies hat zu einem kontinuierlichen Anstieg des Wertes pro Gerät geführt.

Multi-Kamera: Treibende Kraft hinter dem anhaltenden Wachstum von Infrarot-Cut-Filtern

Ein Infrarot-Sperrfilter ist ein optischer Filter, der sichtbares Licht durchlässt, während er infrarotes Licht blockiert. Wenn Licht in eine Linse eintritt und dort gebrochen wird, werden sichtbares Licht und infrarotes Licht auf unterschiedlichen Bildebenen fokussiert: Sichtbares Licht erzeugt ein farbiges Bild, während infrarotes Licht ein schwarz-weißes Bild ergibt. Sobald das durch sichtbares Licht entstandene Bild korrekt eingestellt ist, bildet das infrarote Licht auf derselben Bildebene ein virtuelles Bild, wodurch sich Farbe und Qualität des Gesamtbildes beeinflussen lassen.

Infrarot-Sperrfilter lassen sich weiter in zwei Typen unterteilen: reflektierende Filter und absorbierende Filter. Der entscheidendste Prozess bei der Filterherstellung ist die Beschichtung, die eine gleichmäßige und konsistente Beschichtungsschicht gewährleisten muss. Die Beschichtungsverfahren lassen sich grob in Vakuumbeschichtung und chemische Beschichtung einteilen. Nach der Beschichtung können diese Filter im Allgemeinen Licht mit Wellenlängen oberhalb von 650 nm blockieren und erfüllen damit grundlegende Anwendungsanforderungen.

Der IRCF, der durch Beschichtung eines blauen Glassubstrats hergestellt wird, filtert Infrarotlicht durch Absorption und blockiert so effektiv Wellenlängen oberhalb von 630 nm. Im Gegensatz dazu filtert der IRCF, der durch Beschichtung eines herkömmlichen Glassubstrats hergestellt wird, Infrarotlicht durch Reflexion; allerdings kann das reflektierte Licht leicht zu Störungen führen und liefert daher eine weniger effektive Leistung als der auf Blauglas basierende IRCF.

Ein wichtiger Bestandteil von 3D-Kameras – Schmalbandfilter

Ein Schmalbandfilter ist ein optisches Bauteil, das nur Licht einer bestimmten Wellenlänge durchlässt und alle anderen Wellenlängen blockiert. In 3D-Erfassungsanwendungen sendet das Sendeende Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 940 nm aus, und das Empfangsende muss alle anderen Wellenlängen herausfiltern und nur das 940-nm-Infrarotlicht akzeptieren; daher ist ein Schmalbandfilter erforderlich. Der Durchlassbereich eines Schmalbandfilters ist relativ schmal und erfordert typischerweise eine Bandbreite von höchstens 5 % der zentralen Wellenlänge.

Die dünne Schicht eines Schmalbandfilters besteht typischerweise aus zwei Arten von Schichten – Materialien mit niedrigem und hohem Brechungsindex –, die übereinander gestapelt werden, sodass Dutzende von Schichten entstehen. Jede Abweichung in den Parametern einzelner Dünnfilmschichten kann die Gesamtleistung beeinträchtigen. Darüber hinaus ist die Transmission eines Schmalbandfilters äußerst empfindlich gegenüber Verlusten in den dünnen Schichten; daher ist es äußerst schwierig, Filter herzustellen, die sowohl eine sehr hohe Spitzenübertragung als auch eine schmale Halbwertsbreite (FWHM) aufweisen. Es gibt viele verschiedene Verfahren zur Herstellung dünner Schichten, darunter chemische Dampfabscheidung, thermische Oxidation, Anodisierung, Sol-Gel-Prozesse, atomare Schichtabscheidung (ALD), atomare Schichtepitaxie (ALE) sowie Magnetron-Sputtern. Die Leistungsfähigkeit von dünnen Schichten, die nach diesen verschiedenen Verfahren hergestellt werden, kann erheblich voneinander abweichen.

Unter-Display-Fingerabdruck: Die Unter-Display-Fingerabdruck-Technologie gewinnt rasch an Bedeutung und treibt die Nachfrage nach optischen Filtern an.

Da die Durchdringungsrate von Fingerabdruckerkennungslösungen unter dem Display weiter steigt, nimmt die Nachfrage nach optischen Filtern weiter zu.

Fluoreszenz, ein chinesischer Begriff, der auch als «yingguang» geschrieben wird, bezeichnet ein kaltes Lumineszenzphänomen, bei dem eine Substanz Licht emittiert, nachdem sie durch einfallendes Licht einer bestimmten Wellenlänge—typischerweise ultraviolettes oder Röntgenlicht—angeregt wurde. Wenn eine Substanz bei Raumtemperatur Energie aus solchem einfallenden Licht aufnimmt, gelangt sie in einen angeregten Zustand und de-exitiert sofort daraufhin, wobei sie Licht mit einer längeren Wellenlänge emittiert, als das des einfallenden Lichts (in der Regel innerhalb des sichtbaren Spektrums). Bei vielen fluoreszierenden Substanzen hört die Emission unmittelbar auf, sobald das einfallende Licht abgeschaltet wird. Das so emittierte Licht mit diesen Eigenschaften wird als Fluoreszenz bezeichnet. Darüber hinaus gibt es einige Substanzen, die auch noch relativ lange nach Abschalten des einfallenden Lichts weiterhin Licht emittieren; dieses Phänomen nennt man Phosphoreszenz. Im alltäglichen Leben bezeichnen Menschen oft allgemein jedes schwache Leuchten als Fluoreszenz, ohne die zugrundeliegenden Mechanismen, die für die Lumineszenz verantwortlich sind, genau zu untersuchen oder zu unterscheiden. Zudem bezieht sich der Begriff auch auf kühles Licht mit niedriger Temperatur (nicht auf Farbtemperatur).

Das Prinzip hinter der Fluoreszenz

Wenn Licht auf bestimmte Atome trifft, bewirkt die Energie des Lichts, dass einige Elektronen, die den Atomkern umgeben, von ihren ursprünglichen Bahnen auf energiereichere Bahnen springen – sie wechseln vom Grundzustand in den ersten angeregten Singulett-Zustand oder in den zweiten angeregten Singulett-Zustand und so weiter. Da der erste angeregte Singulett-Zustand oder der zweite angeregte Singulett-Zustand instabil sind, kehren sie schließlich wieder in den Grundzustand zurück. Wenn die Elektronen vom ersten angeregten Singulett-Zustand in den Grundzustand zurückfallen, wird die überschüssige Energie in Form von Licht abgegeben, wodurch Fluoreszenz entsteht.

Fluoreszenz ist die Emission von Licht durch eine Substanz, nachdem diese Licht oder andere elektromagnetische Strahlung absorbiert hat. In den meisten Fällen hat das emittierte Licht eine längere Wellenlänge und geringere Energie als das absorbierte Licht. Wenn jedoch die Absorptionsintensität ausreichend hoch ist, kann eine Zwei-Photonen-Absorption auftreten, was zu einer emittierten Strahlung mit kürzerer Wellenlänge führt als das absorbierte Licht. Wenn die Wellenlänge der emittierten Strahlung mit der des absorbierten Lichts übereinstimmt, spricht man von resonanter Fluoreszenz. Ein häufiges Beispiel ist die Absorption ultravioletten Lichts durch eine Substanz, die daraufhin sichtbare Fluoreszenz emittiert. Die fluoreszierenden Lampen, die wir im Alltag verwenden, funktionieren nach diesem Prinzip: Die Phosphorschicht im Inneren des Lampenrohrs absorbiert das ultraviolette Licht, das vom Quecksilberdampf im Rohr emittiert wird, und strahlt anschließend sichtbares Licht wieder ab, sodass es für das menschliche Auge sichtbar wird.

Fluoreszenzparameter

(1) Anregungsspektrum: Die Beziehung zwischen der Intensität oder Lumineszenzeffizienz einer bestimmten Emissionslinie oder -bande eines lumineszierenden Materials und der Wellenlänge des Anregungslichts bei Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen.

(2) Emissionsspektrum: Die Variation der Intensität der Lumineszenz bei verschiedenen Wellenlängen, wenn ein lumineszierendes Material durch ein bestimmtes Anregungslicht angeregt wird.

(3) Fluoreszenzintensität: Die Fluoreszenzintensität hängt mit Faktoren wie der Fluoreszenzquantenausbeute, dem Extinktionskoeffizienten und der Konzentration des Stoffes zusammen.

(4) Fluoreszenzquantenausbeute Q: Die Quantenausbeute gibt an, inwieweit eine Substanz absorbierte Lichtenergie in Fluoreszenz umwandeln kann; sie ist das Verhältnis der Anzahl der von einer fluoreszierenden Substanz emittierten Photonen zur Anzahl der absorbierten Photonen.

(5) Stokes-Verschiebung: Die Stokes-Verschiebung ist der Unterschied zwischen der Wellenlänge der maximalen Fluoreszenzemission und der Wellenlänge der maximalen Absorption.

(6) Fluoreszenzlebensdauer: Wenn ein Lichtstrahl eine fluoreszierende Substanz anregt, absorbieren die Moleküle des fluoreszierenden Materials Energie und wechseln vom Grundzustand in einen angeregten Zustand. Anschließend emittieren sie Fluoreszenz in Form von Strahlung, während sie in den Grundzustand zurückkehren. Die Fluoreszenzlebensdauer ist definiert als die Zeit, die benötigt wird, damit die Fluoreszenzintensität der Moleküle auf 1/e ihrer maximalen Intensität abfällt, sobald die Anregung beendet wird.

Cadmiumselenid-Quantenpunkte emittieren Fluoreszenz, wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt werden.

Anwendungen der Fluoreszenz

Beleuchtung

Leuchtstofflampe

Eine gängige Leuchtstofflampe ist ein hervorragendes Beispiel hierfür. Das Innere des Lampenrohrs wird evakuiert und anschließend mit einer kleinen Menge Quecksilber gefüllt. Wenn zwischen den Elektroden im Inneren des Rohrs eine elektrische Entladung stattfindet, emittiert das Quecksilber Licht im ultravioletten Spektrum. Dieses ultraviolette Licht ist unsichtbar und gesundheitsschädlich für den Menschen. Deshalb ist die innere Oberfläche des Lampenrohrs mit einem Stoff namens Phosphor (oder fluoreszierendem Material) beschichtet, der das ultraviolette Licht absorbiert und es als sichtbares Licht erneut abgibt.

Leuchtdioden (LEDs), die weißes Licht emittieren können, funktionieren ebenfalls nach einem ähnlichen Prinzip. Das von Halbleitern emittierte Licht ist blau, und dieses blaue Licht kann Leuchtstoffe – etwa Phosphor – anregen, die an der reflektierenden Elektrode angebracht sind, wodurch diese eine orangefarbene Fluoreszenz abgeben. Wenn diese beiden Lichtfarben miteinander gemischt werden, ergeben sie annähernd weißes Licht.

Textmarker

Textmarker enthalten fluoreszierende Farbstoffe, die bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht – etwa Sonnenlicht, Tageslichtlampen oder Quecksilberlampen – einen fluoreszierenden Effekt hervorrufen. Unter UV-Beleuchtung strahlen diese Textmarker weißes Licht aus und verleihen den Farben ein auffälliges, fluoreszierendes Erscheinungsbild. Die Fluoreszenz von Textmarkern unterscheidet sich von der von Uhren oder Leuchtstäben: Leuchtstäbe beruhen auf einer inneren radioaktiven Reaktion, die Strahlung erzeugt, welche wiederum das umgebende fluoreszierende Pulver anregt, Licht zu emittieren. Dadurch können Leuchtstäbe auch in Abwesenheit von UV-Licht nachts weiter leuchten. Im Gegensatz dazu zeigen Textmarker nur dann Fluoreszenz, wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden. Sie können dies leicht überprüfen, indem Sie die Markierung des Textmarkers nahe an eine Mückenfalle oder einen Banknotendetektor halten – beide Geräte senden UV-Licht aus.

Biochemisch und medizinisch

Die Fluoreszenz findet breite Anwendungen in den Bereichen Biochemie und Medizin. Mithilfe chemischer Reaktionen können fluoreszierende chemische Gruppen an Biomoleküle angehängt werden; anschließend lassen sich diese Biomoleküle empfindlich nachweisen, indem man die von den markierten Gruppen emittierte Fluoreszenz beobachtet.

DNA-Sequenzierungsprofil, das unter Verwendung eines fluoreszenzmarkierten Kettenabbruchmittels erzeugt wurde.

Die Kettenabbruchmethode zur automatisierten DNA-Sequenzierung: Bei der ursprünglichen Methode mussten die Primerenden der DNA mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert werden, um eine präzise Identifizierung der DNA-Banden auf dem Sequenziergel zu ermöglichen. In der verbesserten Methode werden die vier Typen von Didesoxynukleotiden (ddNTPs) – die als Kettenabbrüche dienen – jeweils einzeln mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert. Nach der Elektrophorese trennen sich DNA-Moleküle unterschiedlicher Länge entsprechend ihrer Größe. Bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht emitieren die vier unterschiedlich markierten Didesoxynukleotide Fluoreszenz bei charakteristischen Wellenlängen. Durch Analyse des Fluoreszenzspektrums lässt sich die DNA-Sequenz präzise bestimmen. DNA-Nachweis: Ethidiumbromid ist ein fluoreszierender Farbstoff, der nur sehr schwache Fluoreszenz abgibt, wenn er seine Konformation in Lösung frei ändert. Sobald er jedoch zwischen Basenpaaren in der Doppelhelix von Nukleinsäuren interkalieret und an DNA-Moleküle bindet, erzeugt er intensive Fluoreszenz. Daher wird Ethidiumbromid üblicherweise während der Gelelektrophorese hinzugefügt, um die DNA zu färben. DNA-Mikroarrays (Biochips): Genomische Sonden müssen mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert werden; die Zielsequenzen werden schließlich durch Analyse der resultierenden Fluoreszenzsignale identifiziert. Immunfluoreszenz-Assay in der Immunologie: Antikörper werden mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert, sodass Forscher anhand der Verteilung und Morphologie der Fluoreszenz den Ort und die Beschaffenheit von Antigenen bestimmen können. Durchflusszytometrie (auch bekannt als fluoreszenzaktiviertes Zellsortieren, FACS): Probenzellen werden mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert und anschließend durch Laserstrahlen angeregt, um spezifische Fluoreszenz zu erzeugen. Die emittierte Fluoreszenz wird von einem optischen System detektiert und an einen Computer übermittelt, wo sie analysiert wird; dadurch lassen sich verschiedene Eigenschaften der Zellen aufdecken. Die Fluoreszenztechnologie wird außerdem eingesetzt, um molekulare Strukturen von DNA und Proteinen zu erkennen und zu analysieren, insbesondere solche komplexer biologischer Makromoleküle. Das Leuchtprotein der Qualle wurde erstmals aus dem marinen Organismus Aequorea victoria isoliert. In Gegenwart von Calciumionen emittiert es grüne Fluoreszenz. Diese Eigenschaft wurde genutzt, um in Echtzeit die Bewegung von Calciumionen innerhalb von Zellen zu beobachten. Die Entdeckung des Leuchtproteins der Qualle regte weitere Forschungen zu marinen Quallen an und führte zur Identifizierung des Grünfluoreszierenden Proteins (GFP). Die Polypeptidkette des GFP enthält eine einzigartige Chromophor-Struktur, die es ihm ermöglicht, stabile grüne Fluoreszenz unter Bestrahlung mit ultraviolettem Licht zu emittieren, ohne dass zusätzliche Cofaktoren oder spezielle Behandlungen erforderlich wären. Infolgedessen sind GFP und verwandte Proteine zu unverzichtbaren Werkzeugen in der biochemischen und zellbiologischen Forschung geworden. Fluoreszenzmikroskopie: Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie – viele Biomoleküle besitzen eine intrinsische Fluoreszenz und können Fluoreszenz emittieren, ohne dass zusätzliche chemische Gruppen erforderlich wären. Manchmal kann diese intrinsische Fluoreszenz als Reaktion auf Umweltbedingungen variieren, sodass sich diese Umweltsensitivität nutzen lässt, um die Verteilung und Eigenschaften von Molekülen zu erkennen. Zum Beispiel emittiert Bilirubin, wenn es an eine bestimmte Stelle im Serumalbumin gebunden ist, starke Fluoreszenz. Ähnlich produzieren rote Blutkörperchen, denen Eisen fehlt oder die Blei enthalten, statt normalem Häm (Hämoglobin) Zink-Protoporphyrin; dieses Zink-Protoporphyrin zeigt intensive Fluoreszenz und kann daher dazu verwendet werden, die zugrundeliegende Ursache bestimmter Krankheiten zu identifizieren.

Edelsteine, Mineralien

Edelsteine, Mineralien, Fasern und andere Materialien, die als forensische Beweise dienen können, können bei Bestrahlung mit ultravioletter oder Röntgenstrahlung Fluoreszenz von unterschiedlichen Eigenschaften emitieren.

Rubine, Smaragde und Diamanten können unter kurzwelligem ultraviolettem Licht rote Fluoreszenz ausstrahlen. Auch Smaragde, Topas (gelber Jade) und Perlen können unter ultraviolettem Licht fluoreszieren. Darüber hinaus können Diamanten unter Röntgenstrahlung Phosphoreszenz zeigen.

Konzeptionelle Unterscheidung

Die Lumineszenz, die durch Anregung mit Licht (typischerweise Ultraviolett oder Röntgenstrahlen) hervorgerufen wird, nennt man Photolumineszenz; dazu gehören Phänomene wie Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Die Lumineszenz, die durch chemische Reaktionen verursacht wird, wird als Chemilumineszenz bezeichnet; die bei Konzerten verwendeten fluoreszierenden Stäbchen geben Licht durch eine chemische Reaktion ab, die durch das Mischen zweier flüssiger Chemikalien ausgelöst wird. Die Lumineszenz, die durch Kathodenstrahlen (ein Strahl hochenergetischer Elektronen) induziert wird, heißt Kathodolumineszenz – genau so emittiert der fluoreszierende Bildschirm in der Kathodenstrahlröhre eines Fernsehers Licht. Das Phänomen der kalten Lumineszenz in lebenden Organismen wird Biolumineszenz genannt; zum Beispiel wird das von Glühwürmchen abgegebene Licht als «Yingguang» bezeichnet. Im alten Chinesischen wurde das Zeichen «Ying» synonym mit «Ying» verwendet, und in einigen chinesischsprachigen Regionen wird das Zeichen «Ying» spezifisch mit Insekten in Verbindung gebracht. In Taiwan wird Fluoreszenz häufig als «Yingguang» bezeichnet; auf dem chinesischen Festland wird sie eher als «Yingguang» bezeichnet, während «Yingguang» typischerweise spezifisch auf das von Glühwürmchen abgegebene Licht bezogen wird.

Instrument

Die Fluoreszenzmessung erfordert unbedingt ein Instrument. Das häufig verwendete Instrument zur Erfassung der in einer Substanz enthaltenen Fluoreszenzmenge wird als Fluoreszenzspektrophotometer bezeichnet.

Die grundlegende Struktur eines Fluoreszenzanalysators umfasst: eine Anregungslichtquelle, einen Anregungsmonochromator, eine Probenkammer, einen Emissionsmonochromator und ein Detektionssystem.

1. Tragen Sie bei der Handhabung optischer Linsen stets Fingerlinge. Wenn Ihre Hände mit Substanzen wie Säuren oder Salzen in Berührung kommen, die die Glasoberfläche leicht angreifen können, berühren Sie die optischen Linsen nicht direkt mit bloßen Händen. Dies könnte Spuren auf den Linsen hinterlassen. Bleiben diese Spuren über längere Zeit unbeachtet, könnten sie dauerhafte Beschädigungen verursachen und die Abbildungsqualität der optischen Komponenten negativ beeinflussen.

2. Beim Umgang mit optischen Linsen sollten Sie diese sorgfältig behandeln. Viele optische Linsen bestehen aus Glas und sind anfällig für Dellen, abgebrochene Kanten und Kratzer.

3. Beim Umgang mit mobilen optischen Linsen immer an den Rändern der Linsen greifen – niemals direkt auf die optischen Oberflächen fassen. Selbst wenn Sie Fingerlinge tragen, vermeiden Sie direkten Kontakt mit den Linsenoberflächen.

4. Wenn Sie keine optischen Linsen verwenden, legen Sie sie auf eine weiche Oberfläche. Legen Sie die Linsen nicht direkt auf Glas, Metall, Schreibtische oder schmutzige Papieroberflächen, da dies leicht zu Kratzern auf den Linsen führen kann.

5. Wenn sich Staub auf der Linsenoberfläche befindet, verwenden Sie eine saubere Ohrblase, um den Staub vorsichtig abzupusten.

6. Wenn die Linse Flecken oder Schweißspuren aufweist, wischen Sie sie vorsichtig mit einem mit Alkohol oder Aceton befeuchteten Objektivreinigungspapier oder Seidentuch ab.

7. Wenn Sie Objektive aufbewahren, wickeln Sie sie in sauberes Kondensatorpapier oder Objektivreinigungstücher ein. Bewahren Sie sie in einer Umgebung mit moderater Temperatur – etwa 23°C – und einer Luftfeuchtigkeit von unter 40 % auf. Wenn möglich, bewahren Sie sie in einem Trockenschrank auf.

8. Beim Aufbewahren von Linsen dürfen optische Linsen nicht übereinander gestapelt werden; jede Linse muss einzeln und ohne Überlappung platziert werden.

9. Wenn die Linsen schmutzig werden, reinigen Sie sie sofort – aber achten Sie darauf, dass Sie sie nicht zerkratzen, da Staub leicht Kratzer auf den Linsen verursachen kann.

Ein Enzym-gebundener Immunadsorptionsassay-(ELISA)-Lesegerät, auch als ELISA-Detektor bekannt, ist ein spezialisiertes Instrument, das für den Einsatz in enzymgebundenen Immunadsorptionsassays entwickelt wurde. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine Art modifiziertes, spezialisiertes Spektralphotometer oder Colorimeter. Sein grundlegendes Funktionsprinzip und seine wichtigsten Bauteile entsprechen im Wesentlichen denen eines herkömmlichen Spektralphotometers. ELISA-Lesegeräte lassen sich grob in zwei Typen einteilen: halbautomatisch und vollautomatisch. Allerdings sind ihre zugrundeliegenden Arbeitsprinzipien im Wesentlichen identisch; im Kern befindet sich ein Colorimeter – ein Gerät, das mithilfe der kolorimetrischen Analyse die Konzentration von Antigenen oder Antikörpern bestimmt.

Was ist der enzymgekoppelte Immunadsorptionsassay?

Der enzymgekoppelte Immunadsorptionsassay, oft als ELISA abgekürzt, ist eine Art von Markierungstechnik, die sich aus der fluoreszierenden Antikörpertechnologie und dem isotopenbasierten Immunoassay entwickelt hat. Es handelt sich um eine moderne Technik, die empfindlich, spezifisch, schnell und automatisierbar ist.

Das Grundprinzip des enzymgekoppelten Immunadsorptionsassays (ELISA) besteht darin, ein Antigen oder einen Antikörper mittels eines Kopplungsmittels mit einem Enzym zu konjugieren und so ein enzymgekoppeltes Antigen oder Antikörper zu erzeugen. Dieses enzymgekoppelte Antigen oder Antikörper kann spezifisch mit dem entsprechenden Antigen oder Antikörper reagieren, das auf einem festphasengebundenen Träger immobilisiert ist oder in Geweben vorhanden ist, wodurch ein stabiler Immunkomplex entsteht, der seine biologische Aktivität beibehält. Wird ein geeigneter Substrat hinzugefügt, wird dieses durch das Enzym katalysiert, was zu einer charakteristischen Farbreaktion führt. Die Intensität der Farbe ist direkt proportional zur Konzentration des entsprechenden Antigens oder Antikörpers.

Da diese Technologie auf der Antigen-Antikörper-Reaktion und der hocheffizienten katalytischen Wirkung von Enzymen beruht, zeichnet sie sich durch hohe Empfindlichkeit und Spezifität aus und ist somit eine bemerkenswert robuste immunologische Assay-Technik.

Das Prinzip eines Enzym-gekoppelten Immunadsorptionsassays (ELISA)-Lesegeräts.

Ein Enzym-gebundener Immunadsorptionsassay (ELISA)-Lesegerät ist ein Instrument, das nach dem Prinzip der Enzymmarkierung arbeitet. Es ähnelt einem modifizierten Spektralphotometer oder Colorimeter; sein grundlegendes Funktionsprinzip sowie seine wichtigsten Bauteile entsprechen im Wesentlichen denen eines herkömmlichen Spektralphotometers.

Die von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtwellen werden durch einen Filter oder Monochromator gefiltert, um zu einem Strahl monochromatischen Licht zu werden, der anschließend in das Kunststoff-Mikroporen-Array eindringt, in dem die zu messende Probe enthalten ist. Ein Teil dieses monochromatischen Lichts wird von der Probe absorbiert, während der Rest die Probe durchdringt und auf einen photoelektrischen Detektor trifft. Der photoelektrische Detektor wandelt diese Lichtsignale unterschiedlicher Intensität von der Probe in entsprechende elektrische Signale um. Nach einer Signalverarbeitung – einschließlich Vorverstärkung, logarithmischer Verstärkung und Analog-Digital-Wandlung – werden die elektrischen Signale an einen Mikroprozessor zur Datenverarbeitung und -berechnung weitergeleitet. Schließlich werden die Ergebnisse auf einem Monitor angezeigt und von einem Drucker ausgedruckt.

Der Mikroprozessor steuert außerdem den mechanischen Antriebsmechanismus, um die Mikroplatte über Steuerschaltungen in X- und Y-Richtung zu bewegen; dadurch wird der Probenbeladungs- und Nachweisprozess automatisiert. Im Gegensatz dazu setzen einige andere ELISA-Lesegeräte auf eine manuelle Bewegung der Mikroplatte zur Detektion, wodurch mechanische Antriebsmechanismen und Steuerschaltungen in X- und Y-Richtung entfallen. Infolgedessen sind diese Geräte kompakter und haben eine einfachere Bauweise.

Eine Mikroplatte ist eine transparente Kunststoffplatte, die vorgestrichen und speziell dafür entwickelt wurde, Proben für die Analyse aufzunehmen. Die Platte verfügt über mehrere Reihen gleichgroßer, identischer kleiner Vertiefungen, von denen jede ein entsprechendes Antigen oder Antikörper enthält. Jede Vertiefung der Mikroplatte kann einige Zehntel Milliliter Lösung aufnehmen. Übliche Ausführungen umfassen 40-Vertiefungs-Platten, 55-Vertiefungs-Platten, 96-Vertiefungs-Platten und weitere Varianten. Verschiedene Geräte sind mit Mikroplatten unterschiedlicher Spezifikationen ausgestattet, sodass entweder Einzelvertiefungen oder zeilenweise Nachweise durchgeführt werden können.

Enzym-Reader messen die Extinktion des Analyten bei einer bestimmten Wellenlänge. Mit der Weiterentwicklung von Nachweismethoden werden Einzelgeräte für den Schreibtisch, die mit mehreren Nachweismodi ausgestattet sind, als multifunktionale Enzym-Reader bezeichnet. Diese Reader können die Extinktion (Abs), die Fluoreszenzintensität (FI), die zeitauflösende Fluoreszenz (TRF), die Fluoreszenzpolarisation (FP) sowie die Chemilumineszenz (Lum) nachweisen.

Aus prinzipieller Sicht lassen sich Mikroplattenleser in Mikroplattenleser vom Gittertyp und Mikroplattenleser vom Filtertyp einteilen. Mikroplattenleser vom Gittertyp können jede Wellenlänge innerhalb des Spektrums der Lichtquelle auswählen, während Mikroplattenleser vom Filtertyp je nach den gewählten Filtern nur bestimmte Wellenlängen erfassen können.

Aufbau eines Mikroplattenlesers

Das in Enzymmessgeräten verwendete monochromatische Licht kann entweder durch kohärente Filter oder mittels eines Monochromators gewonnen werden, der identisch mit dem in Spektralphotometern verwendeten ist. Bei Verwendung von Filtern als Filtereinrichtungen können diese – genau wie bei herkömmlichen Kolorimetern – entweder vor oder hinter der Mikroplatte platziert werden; in beiden Fällen ist der Effekt derselbe. Das von der Quellenlampe ausgesandte Licht durchläuft eine Kondensorlinse und eine Blende, bevor es auf einen Spiegel trifft. Nachdem das Licht vom Spiegel in einem Winkel von 90° reflektiert wurde, durchläuft es vertikal die kolorimetrische Lösung und passiert anschließend den Filter, bevor es schließlich die Phototube erreicht.

Mikroplattenleser können in zwei Typen eingeteilt werden: Einkanal- und Mehrkanalgeräte. Einkanalgeräte wiederum gibt es in zwei Ausführungen: automatisch und manuell. Automatische Modelle sind mit mechanischen Antriebssystemen in X- und Y-Richtung ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, die winzigen Vertiefungen einer Mikroplatte nacheinander unter dem Lichtstrahl zu bewegen und so schrittweise zu testen. Manuelle Modelle hingegen setzen auf die manuelle Bewegung der Mikroplatte, um Messungen durchzuführen.

Aufbauend auf dem Einkanal-Mikroplattenleser wurden Mehrkanal-Mikroplattenleser entwickelt. Diese Mehrkanal-Leser sind in der Regel automatisiert. Sie sind mit mehreren Lichtstrahlen und mehreren Photodetektoren ausgestattet – ein 12-Kanal-Gerät verfügt beispielsweise über 12 Lichtstrahlen oder 12 optische Wege, 12 Detektoren und 12 Verstärker. Unter mechanischer Ansteuerung in X-Richtung werden die Proben nacheinander in Zeilen zu je 12 Proben abgetastet. Mehrkanal-Mikroplattenleser bieten schnelle Nachweisgeschwindigkeiten, doch ihre Konstruktion ist komplexer und sie haben einen höheren Preis.