Fluoreszenz – Definition, Eigenschaften und Anwendung

Die Fluoreszenz ist ein physikalisches Phänomen. Es handelt sich um die Emission von Licht, wenn ein durch eine bestimmte Wellenlänge angeregtes System wieder spontan in den Grundzustand übergeht. Bestimmte Substanzen sind zur Absorption energiereicher Strahlung – zum Beispiel aus dem UV-Bereich – fähig. Die Strahlungsenergie befördert Elektronen der Substanz in einen höheren Energiezustand. Bei dem umgekehrten Prozess – dem Übergang der Elektronen zurück in den Grundzustand – gibt die Substanz die Energie wieder ab, und zwar in Form von Photonen (Fluoreszenz) und Wärme.

Die Fluoreszenz einer Substanz kannst du nur mit energiereicher Strahlung erzeugen. Das ist einerseits das schon erwähnte UV-Licht mit einem Wellenlängenbereich zwischen 200 und 380 Nanometern. Andererseits sind Röntgenstrahlen und das Licht von Lasern verschiedener Wellenlängen fähig, Fluoreszenz anzuregen. Das Fluoreszenzlicht selbst gehört in den Bereich des sichtbaren Spektrums und ist in der Regel langwelliger als das Anregungslicht. Im Gegensatz zur Phosphoreszenz siehst du bei der Fluoreszenz kein Nachleuchten, sobald die Anregungsenergiequelle entfernt wird.

Sowohl organische als auch anorganische Substanzen können Fluoreszenz zeigen. Das Gefieder einiger Vogelarten enthält beispielsweise fluoreszierende Stoffe. Weitere Beispiele für natürliche vorkommende Substanzen mit Fluoreszenzeigenschaft sind:

• Aesculin aus der Rosskastanie
• Berberin aus dem Schöllkraut
• Fluorit
• Chinin

Seinen Namen erhielt das Fluoreszenzphänomen im Jahr 1852 von dem irischen Physiker und Mathematiker G. G. Stokes. Den Begriff Fluoreszenz leitete er von dem Namen eines mineralischen Feststoffes ab, dem Fluorit. Fluorit ist eine anorganische Kalzium-Fluor-Verbindung, die auch als Flussspat bezeichnet wird. Fluorit kommt weltweit vor. Grosse Abbaugebiete finden sich zum Beispiel in Mexiko, Afrika und in China. Unter Bestrahlung mit UV-Licht zeigen die Kristalle ein dunkelblaues Leuchten. Diese Eigenschaft des Minerals war schon seit dem frühen neunzehnten Jahrhundert bekannt.

Zähne zeigen unter UV-Licht eine bläulich-weisse Fluoreszenz. Diese kann in der Intensität stark variieren, abhängig vom Aufbau des Zahns aus Dentin und Zahnschmelz. Das Dentin ist für die eigentliche Zahnfarbe verantwortlich. Eine dicke Schmelzschicht darüber schwächt die Intensität ab. Auch die Ernährung und Pflege spielen eine Rolle. Bestimmte Nahrungsmittel wie Kaffee oder Fruchtsäfte oder Genussmittel wie Rotwein führen zu Verfärbungen und beeinträchtigen die natürliche Zahnfarbe.

Zahnfüllungen oder Zahnersatz müssen die natürliche Zahnfarbe bestmöglich imitieren. Um dies zu erreichen, führt der Zahnarzt eine Zahnfarbbestimmung durch. Dazu dient eine Farbskala mit zahlreichen Farbnuancen. Zunächst wird einer von vier Grundtönen gewählt (rötlich-braun, rötlich-gelb, grau oder rötlich-grau), bevor die individuelle Farbgebung exakt bestimmt wird. Auch die Fluoreszenzeigenschaft der Zähne muss hier bedacht werden. Zahntechniker integrieren dazu fluoreszierende Materialien in die Füllungen und Zahnprothesen.

In der Zahnmedizin spielt die Fluoreszenz nicht nur bei der Herstellung von Füllungen und Zahnprothesen eine Rolle. Sie dient Zahnärzten auch bei der Diagnostik und Therapie von Zahnerkrankungen. So ist es zum Beispiel möglich, Karies frühzeitig mittels Fluoreszenz zu erkennen. Nach der Identifizierung infizierter Bereiche können diese minimalinvasiv und zahnschonend entfernt werden. Die fluoreszenzbasierte Technik setzen Zahnärzte ausserdem zur Therapiekontrolle ein.

Die fluoreszenzbasierte Kariesdiagnostik beruht auf der Erkenntnis, dass mit Bakterien infiziertes Dentin bei der Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge eine deutliche Fluoreszenz zeigt. Diese ist umso intensiver, je stärker betroffen der Zahnbereich ist. Die Fluoreszenz stammt nicht von der Zahnsubstanz selbst, sondern ist das Resultat von Fluorophoren, die in den Bakterienzellen entstehen. Mit der Methode kann dein Zahnarzt kariöse Zahnsubstanz von gesunden Bereichen genau abgrenzen. Obwohl das Verfahren eine hohe Genauigkeit zeigt, hat es Grenzen. Bei starker Verfärbung der Zähne durch Kaffee, Tee oder das Rauchen und auch bei Zahnstein können falsch positive Ergebnisse auftreten.

Karies an den Zahnflächen ist häufig leicht zu erkennen. An den betroffenen Stellen kann die Zahnfarbe durch die Ablagerung färbender Substanzen aus der Nahrung stark verändert sein. Dagegen ist der Approximalkaries, der in den Zahnzwischenräumen beginnt, oder der Fissurenkaries nicht immer gleich sichtbar. Röntgenbilder können hilfreich sein und Zahnärzte nutzen sie häufig, um die beginnende Zahnfäule zu identifizieren. An den befallenen Stellen ist ein Hohlraum erkennbar (Bereich mit geringerer Röntgendichte). Auch die fluoreszenzbasierte Diagnostik ist gut geeignet, um Initialkaries zu detektieren, und in vielen Fällen ersetzt das Verfahren mittlerweile das für den Patienten belastende Röntgen.