Fluoreszenzspektroskopie

Du stehst vor einem tiefgreifenden Blick in die Welt der Fluoreszenzspektroskopie, einer Schlüsseltechnik in den Ingenieurwissenschaften. Dieser Text führt dich einführend in die Definition, Grundlagen und die diversen Verfahren der Fluoreszenzspektroskopie ein. Zudem erhältst du ein Verständnis für den Aufbau, die Anwendung und die Auswertung von Fluoreszenzspektroskopie-Daten. Vertiefende Einblicke und die Darstellung von Vorteilen und Herausforderungen runden dein Wissen in diesem Bereich ab. Bestens geeignet für Studierende, Experten oder Interessierte, bietet dieser Artikel eine umfassende Auseinandersetzung mit der Fluoreszenzspektroskopie.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    Einführung in die Fluoreszenzspektroskopie

    Als eine leistungsstarke und zentrale Methode in den Ingenieurwissenschaften sowie in den Bereichen Chemie, Biologie und Medizin, ermöglicht die Fluoreszenzspektroskopie die Untersuchung von Photonen-Wechselwirkungen in verschiedenen Materialien. Diese Methode wird häufig verwendet, um die Verteilung und Eigenschaften von fluoreszierenden Molekülen in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen zu beurteilen.

    Definition der Fluoreszenzspektroskopie

    Die Fluoreszenzspektroskopie ist eine Art von Elektromagnetischer Spektroskopie, die die Intensität der von Molekülen emittierten Lichtstrahlen misst, nachdem sie Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbiert haben. So ist es möglich, Informationen über die endogenen Fluorophore und deren Umgebung zu sammeln und deren physikalische und chemische Eigenschaften zu ermitteln.

    Bei der Detektion von Ölverschmutzungen in Gewässern wird beispielsweise die Fluoreszenz von aromatischen Verbindungen im Öl genutzt, um diese Nachweisgrenze zu senken und somit die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen.

    Grundlagen der Fluoreszenzspektroskopie

    In der Fluoreszenzspektroskopie spielt der Prozess der Absorption und Emission von Licht eine zentrale Rolle. Hier sind die grundlegenden Schritte, die dieses Phänomen beschreiben:
    • Absorption von Licht: Ein fluoreszierendes Molekül absorbiert Licht einer bestimmten Wellenlänge und geht dadurch in einen angeregten Zustand über (Beginn des Prozesses).
    • Relaxation: Das Molekül kehrt in auf einem indirekten Weg in den Grundzustand zurück, wodurch ein Teil der Energie als Wärme abgegeben wird.
    • Emission: Das Molekül emittiert Licht einer größeren Wellenlänge als das ursprünglich absorbierte Licht und kehrt in den Grundzustand zurück.

    Verfahren der Fluoreszenzspektroskopie

    Im Allgemeinen gibt es verschiedene Verfahren der Fluoreszenzspektroskopie, die auf spezielle Anforderungen zugeschnitten sind.
    Verfahren Anwendungsbereich
    Steady-State-Fluoreszenzspektroskopie Messung der Fluoreszenzintensität als Funktion der Wellenlänge
    Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie Messung der Lebensdauer angeregter Zustände
    Fluoreszenzkorrelations-Spektroskopie (FCS) Analyse kleinster Mengen in Lösung durch Korrelation der Fluktuationen der Fluoreszenzintensität

    Besonders interessant ist die Anwendung der Fluoreszenzspektroskopie in der Biologie und Medizin, wo sie zur Erforschung und Diagnose verschiedener Krankheiten eingesetzt wird. Hierbei spielen insbesondere fluoreszierende Marker eine große Rolle, die an spezifische Moleküle oder Strukturen in der Zelle gebunden werden können, um diese sichtbar zu machen und ihre Bewegungen und Interaktionen zu studieren. Auch in der Umweltanalytik hat die Fluoreszenzspektroskopie einen festen Platz, da sie beispielsweise zur Detektion von Schadstoffen in Wasser und Boden eingesetzt werden kann.

    Aufbau und Anwendung der Fluoreszenzspektroskopie

    Die Durchführung einer präzisen und genauen Fluoreszenzspektroskopiemessung erfordert einen sorgfältigen Aufbau und Kalibrierung der Geräte. Nur so können die gewonnenen Daten zuverlässige Informationen über die untersuchten Proben liefern.

    Aufbau einer Fluoreszenzspektroskopie-Messung

    Jeder Messaufbau in der Fluoreszenzspektroskopie enthält mehrere Kernausrüstungen. Ein typischer Aufbau besteht aus einem Lichtquelle, einem Mono- oder Polychromator zur Auswahl der Anregungswellelänge, einer Probe, einem Abtastsystem zur Sammlung der Fluoreszenz und einem Detektor.
    • Die Lichtquelle versorgt das System mit Licht hoher Intensität. Häufig verwendete Quellen sind Deuteriumlampen, Xenonlampen oder auch Laser.
    • Der Monochromator dient als Filter, um nur Licht einer bestimmten Wellenlänge für die Anregung der Fluoreszenz durchzulassen.
    • Anschließend trifft das Licht auf die Probe, die die Fluoreszenz erzeugt.
    • Das Abtastsystem dient zur Sammlung der emittierten Fluoreszenz. Es kann aus Linsen und Spiegeln bestehen, um das Licht auf den Detektor zu leiten.
    • Der Detektor misst die Intensität des emittierten Lichts und umwandelt es in ein elektrisches Signal, das dann analysiert werden kann.
    Um die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen, ist es oft nützlich, die Intensität des emittierten Lichts mit der des eingestrahlten Lichts zu vergleichen, ein Verfahren, das als Intensitätsnormalisierung bekannt ist.

    Anwendungsgebiete der Fluoreszenzspektroskopie

    Die Fluoreszenzspektroskopie eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Praxis. Hier sind einige der wichtigsten Anwendungsbereiche:
    Anwendungsgebiet Beschreibung
    Qualitätskontrolle Fluoreszenzspektroskopie kann zur Identifizierung und Quantifizierung von Komponenten in einer Probe verwendet werden. In der Pharmazie, Lebensmitteltechnologie oder auch in der Kunststoffindustrie ist sie eine Standardmethode.
    Biomedizin Die Methode wird in der Biomedizin für die Untersuchung von Proteinen, Nukleinsäuren und lebenden Zellen genutzt.
    Umweltwissenschaften Fluoreszenzspektroskopie kann zur Detektion von Schadstoffen in Wasser und Boden, oder zur Bestimmung des Gesamtgehalts an Mineralölverbindungen in Proben eingesetzt werden.

    Beispiel einer Fluoreszenzspektroskopie-Anwendung

    Ein Beispiel für einen Einsatz der Fluoreszenzspektroskopie ist die Analyse von Trinkwasser. Hier spielt die Detektion von organischen Schadstoffen, Metallen oder Lebewesen eine entscheidende Rolle. Mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie kann eine schnelle und genaue Analyse durchgeführt werden, die dazu beiträgt, die Qualität und Sicherheit des Wassers zu gewährleisten. Durch Nutzung von fluorophoren Markern kann gezielt nach bestimmten Verunreinigungen gesucht werden, deren Anregungs- und Emissionsspektren bekannt sind. Durch ihre hohe Sensitivität und Selektivität ermöglicht die Methode eine genaue Quantifizierung dieser Verunreinigungen und trägt somit zur schnellen Identifizierung und Bekämpfung potenzieller Gesundheitsrisiken bei.

    Vertiefende Blicke auf die Fluoreszenzspektroskopie

    Die scheinbare Einfachheit der grundlegenden Fluoreszenzspektroskopie verbirgt ihre tiefgreifende Komplexität. Die Ausnutzung des vollen Potenzials der Fluoreszenzspektroskopie erfordert die Berücksichtigung verschiedener spezifischer Methoden, die jeweils auf bestimmte Arten von Proben oder Fragestellungen abgestimmt sind.

    2D Fluoreszenzspektroskopie erklärt

    Die Zweidimensionale (2D) Fluoreszenzspektroskopie ist eine Weiterentwicklung der traditionellen Fluoreszenzspektroskopie. Sie erlaubt es, den Einfluss von zahlreichen Variablen auf die Fluoreszenz zu untersuchen, was zu einer Erhöhung der analytischen Leistung und Spezifität führt. In einer 2D-Fluoreszenzspektroskopie-Messung wird eine ganze Reihe von Emissionsspektren aufgenommen, wobei die Anregungswellenlänge variiert wird. Durch die Kombination aller Emissionsspektren wird ein zweidimensionales Datenfeld erzeugt, das sowohl die Anregungs- als auch die Emissionsinformationen enthält. Dieses 2D-Datenfeld wird oft als "Konturplot" dargestellt und gibt ein umfassenderes Bild der Fluoreszenzeigenschaften der Probe.
    • Erhöhte Selektivität: Durch die zwei Dessimensionen können spezifische Moleküle, die bei einer einzelnen Wellenlänge übersehen werden könnten, identifiziert werden.
    • Vermehrt Informationen: Informationen über die molekulare Umgebung, den pH-Wert, die Ionenstärke, den Sauerstoffgehalt und viele weitere wichtige Faktoren können aus den Mustern im 2D-Spektrum abgeleitet werden.
    • Fehlerreduktion: Interferenzen, die in der herkömmlichen Fluoreszenzspektroskopie Probleme verursachten, wie Raman-Streuung und Rayleigh-Streuung, können in der 2D-Fluoreszenzspektroskopie effektiv umgangen werden.

    Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie

    Die Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie (LIF) ist eine spezielle Art der Fluoreszenzspektroskopie, bei der ein Laser als Lichtquelle verwendet wird. Gegenüber herkömmlichen Quellen haben Laser den Vorteil, dass sie sehr intensives Licht mit einer sehr engen spektralen Bandbreite erzeugen können. In einer typischen LIF-Messung wird die Probe mit Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, das die Fluoreszenz anregt. Die dadurch erzeugte Fluoreszenzstrahlung wird dann detektiert und analysiert. Einige der Vorteile der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie umfassen:
    • Hervorragende Empfindlichkeit und Auflösung: Durch die hohe Intensität und die schmale spektrale Bandbreite des Lasers können extrem geringe Mengen an Fluorophoren detektiert und spektral aufgelöst werden.
    • Zeitaufgelöste Messungen: Die kurzen Laserpulse ermöglichen die Messung der Fluoreszenz-Lebensdauern, was genaue Informationen über dynamische Prozesse in den Molekülen liefert.
    • Räumlich aufgelöste Messungen: Durch die Verwendung eines fokussierten Laserstrahls können Fluoreszenzmessungen an sehr kleinen, definierten Orten durchgeführt werden, was für Anwendungen in der Mikroskopie und Oberflächenanalyse von großer Bedeutung ist.

    Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie

    Durch das Messen der Zeit, die zwischen der Anregung und der Emission in der Fluoreszenz vergeht, kann die Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie detaillierte Informationen über die dynamischen Prozesse auf molekularer Ebene liefern. Diese Technik ist besonders nützlich, wenn die Fluoreszenzlebensdauer der Moleküle lang genug ist (>1 Nanosekunde), um mit heutigen Instrumenten gemessen zu werden. In einer typischen zeitaufgelösten Fluoreszenzmessungen wird die Probe mit einem kurzen, intensiven Lichtpuls bestrahlt und die anschließende Fluoreszenzemission wird als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Aus dieser Messung kann die Fluoreszenz-Lebensdauer, also die durchschnittliche Zeit, die das Molekül im elektronisch angeregten Zustand verbringt, bevor es ein Photon emittiert, bestimmt werden.

    Vorteile der zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie:

    • Erhöhte Selektivität: Bei der zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie kann die Selektivität erhöht werden, da nicht nur die spektralen Eigenschaften, sondern auch die Fluoreszenz-Lebensdauer zur Unterscheidung der Moleküle herangezogen wird.
    • Dynamische Informationen: Die zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie liefert direkte Informationen über die Dynamik der Moleküle nach der Lichtabsorption, einschließlich der Prozesse des interne Konversion, intersystem Crossing und Phosphoreszenz.
    • Anwendungen: Die zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie ist eine wichtige Methode in vielen Bereichen der Wissenschaft, Forschung und Technologie, einschließlich Biologie, Medizin, Chemie, Physik und Materialwissenschaften.

    Auswertung und Interpretation von Fluoreszenzspektroskopie-Daten

    Die gewonnenen Daten aus der Fluoreszenzspektroskopie sind reich an Informationen. Allerdings erfordert die Extraktion und Interpretation dieser Informationen eine sorgfältige und systematische Auswertung der Daten.

    So funktioniert die Auswertung der Fluoreszenzspektroskopie

    Frauen Hauptschritte umfassen die Quantifizierung der Fluoreszenzintensität, die Korrektur von Messartefakten und die Auswertung der spektralen Eigenschaften. In der Fluoreszenzspektroskopie kennzeichnet die Intensität des emittierten Lichts die Menge der fluoreszierenden Moleküle in der Probe. Die Messung der Bestimmung der Fluoreszenzintensität erfolgt im Allgemeinen durch Integration der Detektorsignale über die gesamte Messzeit.

    Artifakte können durch verschiedene Phänomene verursacht werden, wie durch Streuung des Anregungslichts, Übersprechen zwischen Anregungs und Emissionskanal oder durch Absorption von Fluoreszenz durch die Probe selbst. Daher ist es wichtig, geeignete Korrekturen vorzunehmen, um die Gültigkeit der Messung sicherzustellen.

    In der Regel werden spektrale Eigenschaften ausgewertet, indem die Lage und Breite von Peaks im Emissionsspektrum analysiert wird. Außerdem können komplexe Multipeak-Spektren durch Anwendung von geeigneten Fitting-Verfahren in einzelne Komponenten zerlegt werden, um detaillierte Informationen über die fluoreszierenden Spezies in der Probe zu erhalten.

    Für noch anspruchsvollere Anwendungen, zum Beispiel in den Life Sciences, kann die Fluoreszenzlebensdauer, die anisotropie und andere fortgeschrittene Parameter ausgewertet werden, um tiefergehende Einblicke in die molekularen Prozesse und Wechselwirkungen zu gewinnen.

    Fluoreszenzspektroskopie Prinzipien für die Interpretation

    Ein gründliches Verständnis der grundlegenden Prinzipien der Fluoreszenz ist der Schlüssel zur erfolgreichen Interpretation von Fluoreszenzspektroskopie-Daten.

    Verschiedene fluoreszierende Moleküle oder Fluorophore haben charakteristische fluoreszierende Eigenschaften, die durch ihre spezifischen molekularen Strukturen bestimmt werden. Diese Eigenschaften umfassen die maximale Anregungs- und Emissionswellenlänge, die Fluoreszenzlebensdauer und die Quantenausbeute. Jede dieser Eigenschaften kann zur Identifizierung verschiedener Fluorophore oder zur Bestimmung von deren Umgebung oder Zustand genutzt werden.

    Die Anregungs- und Emissionswellenlängen beziehen sich auf die Wellenlängen, bei denen die maximalen Absorption bzw. Emission stattfinden. Änderungen dieser Wellenlängen, ein Prozess, der auch als Stokes-Verschiebung bekannt ist, können Aufschluss über die Umgebung des Fluorophors geben. Die Quantenausbeute ist das Verhältnis der Anzahl der emittierten Photonen zur Anzahl der absorbierten Photonen. Hohe Quantenausbeuten sind typisch für stabile Fluorophore, während niedrige Quantenausbeuten auf nicht strahlende Abbauprozesse hinweisen. Die Fluoreszenzlebensdauer ist die Zeit, die das Molekül nach der Lichtabsorption im angeregten Zustand verbringt. Änderungen der Fluoreszenzlebensdauer können auf Veränderungen in der molekularen Umgebung oder auf den Effekt von Quenchern hinweisen. Die Interpretation der Fluoreszenzdaten erfordert oft Vergleiche mit Referenzdaten oder -materialien mit bekanntem Verhalten. In vielen Fällen ist es auch nützlich, Computermodelle oder theoretische Berechnungen zur Unterstützung der Interpretation heranzuziehen.

    Ein Beispiel ist die Untersuchung der Proteinstruktur mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie. Proteine sind komplexe Moleküle, die oft intrinsische Fluorophore enthalten. Durch Untersuchung der Fluoreszenzeigenschaften dieser Fluorophore können wertvolle Informationen über die Struktur und Dynamik des Proteins gewonnen werden. Beispielsweise können Änderungen der Fluoreszenzintensität und -lebensdauer auf Änderungen in der Proteinstruktur oder auf Wechselwirkungen des Proteins mit anderen Molekülen hinweisen.

    Vorteile und Nachteile der Fluoreszenzspektroskopie

    Die Fluoreszenzspektroskopie ist aus vielen Gründen ein wertvolles Instrument in zahlreichen Bereichen, von der analytischen Chemie und Biologie bis hin zur Medizin und Materialwissenschaft. Allerdings gibt es auch Herausforderungen und Grenzen dieser Technik, die Du kennen solltest.

    Vorteile der Fluoreszenzspektroskopie

    Die Fluoreszenzspektroskopie hat viele Vorteile, die sie zu einer wertvollen Technik für verschiedenste Anwendungen machen. Dazu gehören:

    • Empfindlichkeit und Selektivität: Die Fluoreszenzspektroskopie ermöglicht es, sehr geringe Konzentrationen von Fluorophoren zu detektieren, was sie zu einer der empfindlichsten spektroskopischen Techniken macht. Darüber hinaus kann sie Spezies aufgrund ihrer spezifischen Fluoreszenzeigenschaften selektiv detektieren.
    • Vielseitigkeit: Sie kann auf breiter Basis angewendet werden, von Lösungen und Feststoffen bis hin zu biologischen Zellen und Gewebe. Indem man verschiedene Anregungs- und Emissionswellenlängen auswählt, kann man unterschiedliche Fluorophore innerhalb derselben Probe untersuchen.
    • Nicht-invasiv und nicht-destruktiv: Da die Fluoreszenzspektroskopie in der Regel keine Probenzerstörung erfordert und mit lebenden Zellen und Gewebe durchgeführt werden kann, ist sie ideal für Anwendungen in der Biologie und Medizin.

    Ein Beispiel für die Empfindlichkeit und Selektivität der Fluoreszenzspektroskopie ist die Untersuchung lebender Zellen. Die Fluoreszenzmarkierung von Proteinen und anderen Zellkomponenten ermöglicht es, ihre Verteilung und Dynamik direkt in der lebenden Zelle zu beobachten. Dazu werden die Zellen mit spezifischen Fluorophoren markiert, die an die Zielmoleküle binden und ihre Bewegungen und Wechselwirkungen im Laufe der Zeit unter dem Mikroskop sichtbar machen.

    Nachteile und Herausforderungen der Fluoreszenzspektroskopie

    Obwohl die Fluoreszenzspektroskopie viele Vorteile bietet, gibt es auch einige Herausforderungen und Beschränkungen, die berücksichtigt werden müssen:

    Ein Hauptnachteil ist das sogenannte Quenching oder Löschung der Fluoreszenz. Dabei handelt es sich um Prozesse, die die Fluoreszenzintensität reduzieren, indem sie den angeregten Zustand des Moleküls auf nicht-strahlende Weise deaktivieren. Quenching kann auf verschiedene Wege geschehen, wie durch Kollisionen mit anderen Molekülen, chemische Reaktionen, Förster-Resonanzenergietransfer oder durch interne Konversionsprozesse. Es ist wichtig, Quenching-Effekte zu erkennen und zu berücksichtigen, um Fehlinterpretationen der Daten zu vermeiden.

    Weitere Herausforderungen sind:
    • Strahlungslose Übergänge: Nicht alle angeregten Moleküle geben ihre Energie durch Emission eines Photons ab. Einige Moleküle können ihre überschüssige Energie durch strahlungslose Prozesse an die Umgebung abgeben, was zu einer reduzierten Fluoreszenzintensität führt.
    • Photobleichen (Photobleaching): Die wiederholte Exposition gegenüber intensivem Licht kann dazu führen, dass das Fluorophor irreversibel seine Fähigkeit zur Fluoreszenz verliert. Photobleaching kann die Messungen insbesondere bei langzeitigen und intensiven Beleuchtungen beeinflussen.
    • Messkomplexität: Fluoreszenzmessungen können komplex sein und erfordern in der Regel sorgfältige Probenpräparation, Instrumentenkalibrierung und Datenanalyse, um präzise und zuverlässige Ergebnisse zu liefern.

    Ein Beispiel für die Herausforderungen bei der Fluoreszenzspektroskopie ist die Biomarker-Detektion in biologischen Proben. Die hohe Heterogenität und Komplexität biologischer Proben können das Fluoreszenzsignal deutlich beeinflussen und so die Detektion und Quantifizierung der Biomarker erschweren. Darüber hinaus können biologische Proben häufig autofluoreszierende Komponenten enthalten, wie bestimmte Aminosäuren, Vitamine oder Coenzyme, die das spezifische Signal des Markers überlagern und zu Unbestimmtheiten in der Dateninterpretation führen können.

    Fluoreszenzspektroskopie - Das Wichtigste

    • Fluoreszenzspektroskopie: Analysemethode, die auf der Emission von Fluoreszenz basiert.
    • Aufbau einer Fluoreszenzspektroskopie-Messung: beinhaltet Lichtquelle, Monochromator, Probe, Abtastsystem und Detektor.
    • Anwendungsbereiche der Fluoreszenzspektroskopie: Qualitätskontrolle, Biomedizin, Umweltwissenschaften.
    • 2D-Fluoreszenzspektroskopie: ermöglicht eine umfassendere Analyse durch Untersuchung des Einflusses von zahlreichen Variablen auf die Fluoreszenz.
    • Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie (LIF): Varianten der Fluoreszenzspektroskopie, bei denen ein Laser als Lichtquelle verwendet wird.
    • Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie: liefert detaillierte Informationen über die dynamischen Prozesse auf molekularer Ebene.
    • Auswertung der Fluoreszenzspektroskopie: umfasst die Quantifizierung der Fluoreszenzintensität, Korrektur von Messartefakten und Auswertung der spektralen Eigenschaften.
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    Häufig gestellte Fragen zum Thema Fluoreszenzspektroskopie
    Was ist eine Fluoreszenzspektroskopie?
    Die Fluoreszenzspektroskopie ist eine analytische Methode, die verwendet wird, um die Fluoreszenzeigenschaften einer Probe zu untersuchen. Sie basiert auf der Anregung von Elektronen in Molekülen durch Licht einer bestimmten Wellenlänge und der Messung der nachfolgenden emittierten Fluoreszenzstrahlung.
    Wie funktioniert Fluoreszenzspektroskopie?
    In der Fluoreszenzspektroskopie wird Licht auf eine Probe geschickt, wodurch Elektronen auf ein höheres Energieniveau angehoben werden. Wenn diese Elektronen wieder auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurückfallen, geben sie Energie in Form von Licht ab, das gemessen wird. Es wird die Intensität und Wellenlänge dieses Lichts bestimmt, um Informationen über die Probe zu erhalten.
    Was misst ein Fluorometer?
    Ein Fluorometer misst die Intensität der Fluoreszenz, das heißt, es misst die Lichtmenge, die von einer Probe emittiert wird, nachdem sie Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbiert hat. Es wird in der Biochemie, Medizin und Umweltwissenschaften verwendet.

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