16.04.2026

Fluoreszenz am Beispiel von ethanolischem Kurkumaextrakt

Dr. Bernd Neumann

Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht sehr kurz nach der Absorption von Anregungslicht entsprechender Wellenlänge. Kurz markiert hierbei ein Zeitintervall von nur ca. 10^-9-10^-7 s [1]. Der Begriff der Fluoreszenz geht in diesem Zusammenhang auf das Mineral Flussspat (CaF₂) zurück, an dem intensive Fluoreszenzemissionen beobachtet wurden [2]. Diese konnten jedoch auf Verunreinigungen mit Lanthanoiden zurückgeführt werden [2].

Neben einigen anorganischen Verbindungen existieren auch organische, die fluoreszieren können. Ein Beispiel für einen fluoreszenzfähigen organischen Vertreter lässt sich mitunter bereits in der Küche finden. Frisch angeschnittene Kurkumawurzeln oder ein ethanolischer Extrakt gemahlenen Kurkumapulvers fluoreszieren, wenn diese oder dieser mit einer geeigneten UV-Lichtquelle bestrahlt werden.

Unter Tageslicht erscheinen die Schnittflächen einer Kurkumawurzel leuchtend orange (Abbildung 1a). Die intensive Farbe geht im Wesentlichen auf den Farbstoff Curcumin zurück [3], dessen Strukturformel in Abbildung 2 dargestellt ist. Er absorbiert bei ca. 420 nm, also im blauen Spektralbereich des sichtbaren Lichts. Unter Bestrahlung mit UV-Licht - das Maximum der Emissionswellenlänge der verwendeten Lampe liegt bei ca. 395 nm - erscheinen die Schnittflächen der Kurkumawurzel nun gelb-grün (Abbildung 1b). Für die Fluoreszenz ist ebenfalls das Curcumin verantwortlich. In Ethanol liegt die Emissionswellenlänge dieses Farbstoffs bei ca. 520-530 nm [4].

Abb.1: Schnittflächen von einer Kurkumawurzel unter Tageslicht links (a) bzw. unter UV-Licht in Dunkelheit rechts (b).
Abb.2: Strukturformel von Curcumin. Die Enol-Ketoform (oberes Fragment) und die Diketoform (unteres Fragment) sind rötlich unterlegt.
Bläulich unterlegt sind die phenolischen Hydroxylgruppen.

Das in Abbildung 2 oben hell dargestellte Keto-Enol-Fragment des Curcumins symbolisiert ein anderes Absorptionsverhalten als das unten dunkel dargestellte Diketo-Fragment. Es sind daher Farbänderungen zu erwarten, wenn das Gleichgewicht dieser beiden Formen beeinflusst wird, wie im Folgenden auch noch erläutert wird.

Dieser Beitrag beschreibt einfache Demonstrationsexperimente, die an einem ethanolischen Kurkumaextrakt durchgeführt werden können. Hierbei lassen sich verschiedene Themenfelder und Fachgebiete der Chemie streifen, wie z.B. die Farbstoffchemie sowie die Absorption und Emission (z.B. als Fluoreszenz) von Licht. Aber auch Farbänderungen durch Keto-Enol-Tautomerie, durch pH-Wertänderungen oder durch die Änderung des Lösemittels, die als Solvatochromie bekannt ist. Einige Aspekte der Fluoreszenz, die sich aus der Überlagerung des Anregungslichts mit deutlichen Blau- und Violett-Anteilen bei der Detektion des Fluoreszenzlichts mit der Eigenfarbe der absorbierenden Lösung ergeben, werden ebenso beleuchtet. Zudem wird kurz auf etwas Theorie zur Erklärung der wesentlichen Phänomene eingegangen.

Absorption und Emission

Nimmt ein Molekül Energie auf, z.B. durch die Absorption von Licht entsprechender Wellenlänge, dann vergrößern sich i.d.R. die Bindungsabstände in der farbgebenden Gruppe (Chromophor). Somit verschiebt sich die Potentialkurve des angeregten Zustands (rot) nach rechts zu höheren Abstandswerten gegenüber der des Grundzustands (schwarz) [5], wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abb.3: Vereinfachte Darstellung der Potentialkurven des Grundzustands und des angeregten Zustands mit weiteren Schwingungsniveaus
für einen zweiatomigen Chromophor. Der blaue Pfeil kennzeichnet den Absorptionsübergang, der grüne den Emissionsübergang.

Da ein elektronischer Übergang einen höheren Energieeintrag erfordert als ein Schwingungsübergang, lässt es sich nicht vermeiden, mit diesem auch Schwingungen anzuregen. Daher sind für den angeregten Zustand mehrere Energieniveaus miteingezeichnet. Im Fall der Absorption (blauer Pfeil in Abbildung 3) erfolgt der Übergang i.d.R. aus dem Grundzustand (schwarze Kurve in Abbildung 3) in ein höheres Schwingungsniveau des angeregten Zustands (rote Kurve in Abbildung 3).

Durch interne Prozesse oder auch Wechselwirkungen zwischen dem angeregten Molekül mit Lösemittelmolekülen in seiner Umgebung wird ein Teil der aufgenommenen Energie abgegeben, bevor die Emission aus dem untersten Schwingungsniveau des angeregten Zustands als Fluoreszenzlicht erfolgt (grüner Pfeil in Abbildung 3). Aus diesem Grund ist das Fluoreszenzlicht etwas energieärmer als das Anregungslicht und somit gegenüber diesem langwellig verschoben. Für Curcumin beträgt die langwellige Verschiebung ca. 100 nm (Absorption bei 420 nm → Emission bei 520 nm).

Eine Fluoreszenzemission erfolgt aber nicht in jedem Fall nach einer Absorption - hierfür müssen bestimmte strukturelle und elektronische Voraussetzungen erfüllt sein. Einige dieser sind z.B. das Vorhandensein aromatischer Ringsysteme, konjugierter Doppelbindungen sowie ausgedehnter π-Elektronensysteme [6]. Ein Molekül im angeregten Zustand kann aber auch strahlungslos - also ohne Emission - in den Grundzustand zurückkehren.

Neben der Fluoreszenz gibt es noch die Phosphoreszenz. Diese unterscheidet sich durch ihre längere Lebensdauer mit 10^-6 s und mitunter noch deutlich längeren Zeiten [6]. Der Grund hierfür ist, dass bei der Phosphoreszenz für das angeregte Elektron - in der Sichtweise der klassischen Physik - noch eine Änderung seines Drehimpulses, also eine Spin-Umkehr erforderlich ist, bei der Fluoreszenz hingegen nicht. Übergänge mit Spin-Umkehr sind eigentlich spektroskopisch verboten, können jedoch durch bestimmte Umstände, wie besonders tief-liegende n-π*-Niveaus oder die Anwesenheit von Schweratomen, wie z.B. Jod, durch eine Spin-Bahn-Kopplung das Verbot aufweichen [6]. Phosphoreszenz ist aber nicht Gegenstand dieses Beitrags.

Abb.4: UV-Lampe
ohne Gelbfilter fotografiert

Überlagerung von Anregungslicht und Emission

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, wurde für die Anregung der Fluoreszenz eine kommerzielle UV-Lampe verwendet, deren Emissionsmaximum bei 395 nm liegt. Ein Foto dieser Lampe zeigt Abbildung 4. Die Aufnahme wurde nach einem manuellen Weißabgleich auf eine weiße Wand erstellt. Deutlich erkennbar sind die Blau- und Violett-Anteile im Reflektor der Lampe, in dem die einzelnen LEDs eingelassen sind.

Da die Fluoreszenzemission von Curcumin im gelb-grünen Spektralbereich erfolgt, ist eine Überlagerung des blau-violetten Anregungslicht der UV-Lampe mit dem emittierten Fluoreszenzlicht zu erwarten. Dies hat zur Folge, dass vom menschlichen Auge oder auch von einer Kamera eine Mischfarbe wahrgenommen wird. Um die blau-violetten Anteile weitgehend zu unterdrücken, kann z.B. ein Gelbfilter zur fotografischen Dokumentation verwendet werden (Abbildung 5).

Abb.5: Emissionsspektrum der UV-Lampe und Transmissionsspektrum eines Gelbfilters.

Abb.6: UV-Lampe
mit Gelbfilter fotografiert

Er kann einfach auf das Objektiv der Kamera aufgeschraubt werden. Der Weißabgleich wurde anschließend mit aufgeschraubtem Filter manuell auf eine weiße Wand ausgeführt, die mit der verwendeten UV-Lampe angestrahlt wurde. Das Ergebnis zeigt Abbildung 6. Der Reflektor, in dem die einzelnen LEDs sitzen, erscheint nun schwarz und nicht mehr blau-violett.

Untersuchungen an ethanolischem Kurkumaextrakt

Abbildung 7 zeigt ein Glas mit ethanolischem Kurkumaextrakt, das vor einem weißen Hintergrund (Wand) platziert und bei Tageslicht mit manuellem Weißabgleich fotografiert wurde. Es dominiert eine intensive Orange-Färbung wegen der großen Schichtdicke des Glasbehälters (ca. 6 cm). Die Absorption liegt im kurzwelligen Blau des sichtbaren Spektrums, wie in Abbildung 3 skizziert, daher erscheint die transmittierte Farbe - je nach Schichtdicke - gelb bis orange.

Abb.7: (a) Kurkuma-Extrakt bei Tageslicht; (b) isoliertes Farbfeld

Zur Analyse der RGB-Werte wurde ein quadratisches Farbfeld, das weitgehend frei von Kanteneffekten ist, isoliert. Die RGB-Werte wurden über eine frei verfügbare Software in L*a*b*-Werte umgerechnet, wie in [7] beschrieben, und sind in Tabelle 1 zusammengefasst. L*a*b*-Werte werden noch im folgenden Abschnitt Farbanalyse kurz separat erläutert.

Abbildung 8 zeigt den Kurkumaextrakt unter Bestrahlung mit UV-Licht in Dunkelheit. Bei der fotografischen Aufnahme wurde kein Gelbfilter verwendet. Die Blau- und Violett-Anteile sind deutlich sichtbar und überlagern sich mit dem gelb-grünen Fluoreszenzlicht zu einem intensiven Grün.

Abb.8: (a) Kurkuma-Extrakt ohne Gelbfilter in Dunkelheit; (b) isoliertes Farbfeld

In Abbildung 9 ist der Kurkumaextrakt ebenfalls unter Bestrahlung mit UV-Licht in Dunkelheit dargestellt, für das Foto wurde jedoch ein Gelbfilter verwendet. Die Blau- und Violett-Anteile sind nahezu vollständig verschwunden und das Fluoreszenzlicht erscheint etwas weniger intensiv als ohne Filter.

Abb.9: (a) Kurkuma-Extrakt mit Gelbfilter bei Dunkelheit.; (b) isoliertes Farbfeld

Farbanalyse

Das CIE-L*a*b*-System stellt einen dreidimensionalen Farbraum dar [8], in dem ein Farbton eindeutig definiert ist (Abbildung 10). Die L*-Achse repräsentiert die Helligkeitswerte, die a*-Achse die Grün- und Rottöne und die b*-Achse die Blau- und Gelbwerte.

Abb.10: CIE-L*a*b*-Farbsystem zur Veranschaulichung der Farbkoordinaten.
Tab.1: L*a*b*-Werte von ethanolischem Kurkumaextrakt berechnet aus RGB-Werten

Die ermittelten Farbwerte, wenngleich diese nicht sehr exakt sind - sie wurden auch nicht nachträglich weiß-korrigiert - spiegeln dennoch die visuellen und fotografischen Eindrücke entsprechend wider. Eine nachträgliche Weißkorrektur wäre bei Tageslicht möglich gewesen, jedoch nur schwer bis unmöglich bei Dunkelheit. Um die Werte dennoch miteinander vergleichen zu können, wurden sie ohne weitere Korrektur verwendet.

Beim ethanolischen Kurkumaextrakt unter Tageslicht (Abbildung 7) dominieren die positiven a*- und b*-Werte, die die Rot- und Gelbanteile des orangen Farbeindrucks quantifizieren. Unter UV-Licht ohne Gelbfilter dominieren der negative a*- und der positive b*-Wert, die die Grün- und Blau-Anteile des leuchtend grünen Farbeindrucks (Abbildung 8) als Überlagerung von Anregungs- und Emissionslicht charakterisieren. Das Foto des Extrakts unter UV-Licht aber mit Gelbfilter bestätigt mit einem weniger negativen a*- und einem geringeren b*-Wert als ohne Gelbfilter einen schwächeren grünen Farbeindruck als ohne diesen.

Eine Überlagerung des emittierten Fluoreszenzlichts mit der Eigenfarbe des Kurkumaextrakts lässt sich auf diese Weise jedoch nicht vermeiden, wie man besonders im Bereich der Kanten in den Abbildung 8a und 9a erkennt.

In der Fluoreszenzspektroskopie [9] werden Anregungs- und Emissionslicht ebenfalls getrennt, indem i.d.R. im 90°-Winkel, also senkrecht zum Anregungslicht, das Emissionslicht detektiert wird. Auch bei der Fluoreszensmikroskopie [10] werden Filter verwendet, die das Anregungslicht vom Emissionslicht abtrennen.

Ethanolischer Extrakt bei verschiedenen pH-Werten

Um den Einfluss des pH-Werts auf die Fluoreszenz des ethanolischen Kurkumaextrakts zu untersuchen, wurden jeweils 8 ml des Extrakts entnommen und mit 2 ml Wasser, 2 ml Natron-Lösung oder 2 ml Essig (5 % Säure) auf 10 ml aufgefüllt. Der Wasserzusatz wurde bewusst geringgehalten, da Curcumin, aber auch andere Bestandteile des extrahierten Kurkumapulvers, z.T. schlecht wasserlöslich sind und ausfallen bzw. Trübungen verursachen können. Bereits ein Wasseranteil von etwa 20 % bewirkt eine Farbänderung des ethanolischen Kurkumaextrakts hin zu einer tiefer orange-roten Farbe (Abbildung 11) trotz nur halb so großer Schichtstärke (3 cm) und geringerer Farbstoffkonzentration als im Fall von 100 % Spiritus (6 cm) wie in Abbildung 7a und b dargestellt. Spiritus enthält bereits ca. 4 % Wasser, dieser Anteil wurde aber nicht berücksichtigt.

Ein Grund für diese Farbverschiebung liegt sehr wahrscheinlich in der Keto-Enol-Tautomerie des Curcumins. Es ist bekannt, dass in Ethanol überwiegend die Enolform (hell unterlegt in Abbildung 2) vorliegt und im Wasser die Diketoform [3] (dunkel unterlegt in Abbildung 2). Setzt man einem ethanolischen Kurkumaextrakt Wasser zu, dann verschiebt sich dieses Gleichgewicht zur Diketoform hin. Beide Formen müssen daher auch etwas unterschiedliche Absorptionsspektren besitzen, weshalb es zur Farbänderung kommt.

Ein weiterer Grund kann auch in der Polarität des Lösemittels begründet liegen. Wasser hat mit ca. 80 eine deutlich größere Dielektrizitätskonstante (DK) als Ethanol mit 26 [11]. Schließlich sind auch noch Aggregationseffekte des Curcumins denkbar, das schlecht wasserlöslich ist und bei entsprechend hohem Wasserzusatz zum Aggregieren neigen könnte. Je nach Geometrie der Aggregate sind sowohl kurz- als auch langwellige Verschiebungen des Absorptionsspektrums möglich.

Der pH-Wert spielt ebenfalls eine große Rolle bei der Farbe des Curcumins, wie die Abbildungen 11 bis 13 zeigen.

Abb.11: (a) Kurkuma-Extrakt mit 80 % Spiritus; (b) isoliertes Farbfeld.
Abb.12: (a) Kurkuma-Extrakt mit 80 % Spiritus und 20 % Essig (5 % Säure) bei pH = 3-4; (b) isoliertes Farbfeld.
Abb.13: (a) Kurkuma-Extrakt mit 80 % Spiritus und 20 % wässriger Natronlösung bei pH = 8-9; (b) isoliertes Farbfeld.

Die Farbwerte der Tabelle 2 bestätigen die fotografischen Eindrücke bei den drei verschiedenen pH-Werten. Orange bei pH 6 mit fast gleich großem a*- und b*-Werten, gelb bei pH 3-4 mit deutlich größerem b*-als a*-Wert und rot bis braun bei pH 8-9 mit deutlich größerem a*- als b*-Wert.

Fluoreszenz bei verschiedenen pH-Werten

Drei verschiedene pH-Werte wurden ausgewählt, um zu prüfen, ob und wie sich die Fluoreszenz unter UV-Anregung und Beobachtung mit Gelbfilter darstellt (Abbildung 14-16). In Randbereichen wird neben dem Fluoreszenzlicht z.T. auch die Eigenfarbe der Lösung (orange) erkennbar.

Im Alkalischen können die Hydroxylgruppen (auch die phenolischen, blau unterlegt in Abbildung 2) deprotoniert werden, was ebenfalls zu einer Farbänderung führt.

In Abbildung 16 wird in Randbereichen z.T. die pH-Wert-bedingte dunkle Eigenfarbe der Lösung als rot-orange sichtbar, wodurch mit Überlagerung des Fluoreszenzlichts insgesamt ein dunkleres Grün wahrgenommen bzw. auch fotografisch dokumentiert wird.

Die Farbwerte, die unter Verwendung eines Gelbfilters ermittelt wurden (Tabelle 3), liegen trotz verschiedener pH-Werte nur wenig auseinander bestätigen aber die visuellen Eindrücke eines helleren Grüns im Sauren und die eines dunkleren Grüns bei Zusatz von Wasser oder Natron-Lösung.

Fazit

Im Beitrag konnte gezeigt werden, wie sich mit einfachen "Haushaltschemikalien" wie Kurkuma, Spiritus, Natron, Essig und Wasser sowie einer UV-Lampe interessante Demonstrationsexperimente durchführen lassen, die verschiedene Teilgebiete der Chemie streifen. Hierzu gehören Farbstoffchemie und die damit verbundenen Vorgänge wie Absorption und Fluoreszenz-Emission, Indikator-Farbstoffe und deren Farbwechsel bei Änderungen des pH-Werts, Keto-Enol-Tautomerie und auch Solvatochromie, also die Änderung der Farbe bei einem Wechsel der Polarität des Lösemittels.

Die fotografisch ermittelten Farbwerte bestätigen im Wesentlichen die visuellen Eindrücke der Kurkuma-Extrakte bei Farbänderungen durch Wasserzugabe bzw. pH-Wertänderungen. Die Verwendung eines Gelbfilters konnte die Blau- und Violett-Anteile der UV-Lampe weitgehend abtrennen. Eine Fluoreszenz des ethanolischen Kurkumaextrakts konnte auch im alkalischen sowie im sauren pH-Wert Bereich beobachtet werden.

Literatur

1. Fluoreszenzlebensdauer - Wikipedia
   
2. Fluoreszenz - Wikipedia
   
3. Curcumin - Wikipedia
   
4. D. Patra, Ch. Barakat, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 79 (2011), p. 1034-1041
   
5. P. W. Atkins, Physikalische Chemie, VCH-Verlag Weinheim, 1988, S. 482
   
6. W. Schmidt, Optische Spektroskopie, VCH-Verlag Werinheim, 1994, S. 197
   
7. B. Neumann, Analytik News, 2024
   
8. Lab-Farbraum - Wikipedia
   
9. Fluoreszenzspektroskopie - Wikipedia
   
10. Fluoreszenzmikroskopie - Wikipedia
    
11. J. Israelachvili, Intermolecular & Surface Forces, Academic Press 1991, New York, p. 186

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