Cumarin-Farbstoffe
# Cumarin-Farbstoffe

Cumarin-Farbstoffe (engl. Coumarin dyes) sind eine Klasse von fluoreszierenden Farbstoffen die ursprünglich zur Verwendung in Farbstofflasern entwickelt wurden, aber auch als polaritäts-, pH- und viskositätssensitive Fluorophore, sowie als Fluoreszenzlabel bzw. -marker Verwendung finden. Bei ihnen handelt es sich um Derivate von Cumarin, einem natürlich vorkommenden sekundären Pflanzenstoff.

## Aufbau und Eigenschaften

* Nummerierung des Heterocyclen Cumarin.
* Cumarin 120 (7-Amino-4-methylcoumarin)
* Cumarin 1 (Cumarin 47)
* Cumarin 102
* Cumarin 307
* Cumarin 152
* Cumarin 153
* Cumarin 6
Die am häufigsten verwendeten Cumarin-Farbstoffe sind die 7-Aminocumarine. Diese besitzen eine Aminogruppe an der C-7 Position, wobei die Zählweise der Kohlenstoffatome des sechsgliedrigen Doppelring-Heterocyclen am Sauerstoff-Heteroatom des 2-Pyron beginnt (siehe rechte Grafik oben).
Durch einen intramolekularen Ladungstransfer (engl. intramolecular charge-transfer, ICT) von der als Elektronendonatorgruppe (engl. electron donating group, EDG) fungierenden Aminogruppe zur Carbonylgruppe des 2-Pyron bzw. zu einer zusätzlich vorhandenen Elektronenakzeptorgruppe (engl. electron withdrawing group, EWG) an der C-3 bzw. C-4 Position erhalten diese Cumarin-Farbstoffe ihre spezifischen photophysikalischen Eigenschaften. Die 7-Aminocumarine können prinzipiell durch zwei mesomere Zustände beschrieben werden: Einen unpolaren Zustand, welcher im S$_0$ Grundzustand überwiegt und ein geringes elektrisches Dipolmoment besitzt, und einen polaren Zustand, bei dem eine positive Ladung am Stickstoffatom und eine negative am 2-Pyron lokalisiert ist. Dieser Zustand besitzt ein erhöhtes Dipolmoment und ist im angeregten Zustand S$_1$ überwiegend vorherrschend. Im Folgenden sind am Beispiel von Cumarin 120 die beiden möglichen mesomeren Zustände wiedergegeben:
Der Bereich der Lichtabsorption von Cumarin-Farbstoffen (7-Aminocumarine) erstreckt sich vom nahen UV (UV-A) bis in den blauen Spektralbereich, wobei die Emission der Fluoreszenz im blauen bis grün-gelben Spektralbereich liegt. Die photophysikalischen Eigenschaften hängen stark vom verwendeten Lösungsmittel ab. So wird z. B. der mesomere Zustand mit dem hohen Dipolmoment durch polare Lösungsmittel mehr stabilisiert, was typischerweise eine Rotverschiebung der Absorption bei den Cumarin-Farbstoffen verursacht. Weiterhin wird durch optische Anregung des S$_1$ Niveaus eine Neuausrichtung von polaren Lösungsmittelmolekülen verursacht, was die Energie des angeregten Zustandes senkt und eine Rotverschiebung der Emission zur Folge hat. Diese fällt stärker aus als die Rotverschiebung der Absorption und erhöht somit die Stokes-Shift.
Die als Laserfarbstoff eingesetzten Cumarine besitzen eine sehr hohe Quantenausbeute in unpolaren Lösungsmitteln, welche typischerweise mit steigender Polarität des Lösungsmittels sinkt. Bei Cumarin-Farbstoffen mit starren Seitenketten am Stickstoffatom ist die Abnahme der Quantenausbeute nicht so stark ausgeprägt, da die frei rotationsfähigen Seitenketten konkurrierende nichtstrahlende Übergänge in den S$_0$ Grundzustand begünstigen können. Des Weiteren ist die Wahrscheinlichkeit eines Spinflips (vom Singulettzustand in den Triplettzustand) sehr gering, so dass Cumarine sich nur selten im langlebigen Triplettzustand befinden, in dem sie nicht fluoreszieren.

## Übersicht häufig eingesetzter Cumarin-Farbstoffe

Eine Auswahl häufig eingesetzter Cumarin-Farbstoffe zeigt die nachfolgende Tabelle. Angegeben (in Nanometern) ist der ungefähre Emissionsbereich für verschiedene Lösungsmittel, sowie das Absorptions- und Emissionsmaximum exemplarisch für Ethanol.
| Name (Alias) | $\lambda _{\mathrm {Abs} }$ $_{max.inEtOH}$ | $\lambda _{\mathrm {Em} }$ $_{max.inEtOH}$ | Emissionsbereich |
| Cumarin 120 | 354 | 435 | 420 – 470 |
| Cumarin 1 (47; 460) | 373 | 450 | 440 – 490 |
| Cumarin 102 (480) | 389 | 465 | 450 – 510 |
| Cumarin 307 | 395 | 490 | 480 – 550 |
| Cumarin 152 | 397 | 510 | 490 – 570 |
| Cumarin 153 (540A) | 423 | 530 | 520 – 590 |
| Cumarin 6 | 458 | 505 | 500 – 560 |
Die kommerziell erhältlichen Fluoreszenzfarbstoffe bzw. -label Alexa Fluor 350 und 430 (Molecular Probes / Invitrogen Corp.), sowie ATTO 390 und 425 (ATTO-TEC GmbH, Siegen) sind auch Coumarinderivate und finden u. a. häufig Verwendung in der Fluoreszenzmikroskopie.