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.[1] Die 7-Aminocumarine können prinzipiell durch zwei mesomere Zustände beschrieben werden: Einen unpolaren Zustand, welcher im S₀ 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 S₁ überwiegend vorherrschend. Im Folgenden sind am Beispiel von Cumarin 120 die beiden möglichen mesomeren Zustände wiedergegeben:[2]

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 S₁ 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.[2][3][4]

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 S₀ Grundzustand begünstigen können.[5] 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.[6]

Name (Alias)	$\lambda _{\mathrm {Abs} }$ _{max. in EtOH}	$\lambda _{\mathrm {Em} }$ _{max. in EtOH}	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.[2]

Siehe auch

Literatur

Ulrich Brackmann: Lambdachrome: Laser Dyes. 3. Auflage. Lamda Physik AG, Göttingen 2000 (PDF).
Eunha Kim, Seung Bum Park: Discovery of New Fluorescent Dyes: Targeted Synthesis or Combinatorial Approach? In: Alexander P. Demchenko (Hrsg.): Advanced Fluorescence Reporters in Chemistry and Biology. Band I: Fundamentals and Molecular Design (= Springer Series on Fluorescence). Springer, Berlin/ Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-04700-8, S. 150 ff.
M. Sauer, J. Hofkens, J. Enderlein: Handbook of Fluorescence Spectroscopy and Imaging: From Single Molecules to Ensembles: From Ensemble to Single Molecules. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2011, ISBN 978-3-527-31669-4, S. 39 ff.

Einzelnachweise

Eunha Kim, Seung Bum Park: Discovery of New Fluorescent Dyes: Targeted Synthesis or Combinatorial Approach? In: Alexander P. Demchenko (Hrsg.): Advanced Fluorescence Reporters in Chemistry and Biology. Band I: Fundamentals and Molecular Design (= Springer Series on Fluorescence). Springer, Berlin/ Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-04700-8, S. 150 ff.
M. Sauer, J. Hofkens, J. Enderlein: Handbook of Fluorescence Spectroscopy and Imaging: From Single Molecules to Ensembles: From Ensemble to Single Molecules. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2011, ISBN 978-3-527-31669-4, S. 39 ff. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
Brian D. Wagner: The Use of Coumarins as Environmentally-Sensitive Fluorescent Probes of Heterogeneous Inclusion Systems. In: Molecules. Vol. 14, 2009, S. 210–237, doi:10.1201/b13129-16. (PDF)
Sanjukta Nad, Manoj Kumbhakar, Haridas Pal: Photophysical Properties of Coumarin-152 and Coumarin-481 Dyes: Unusual Behavior in Nonpolar and in Higher Polarity Solvents. In: J. Phys. Chem. A. Vol. 107 (24), 2003, S. 4808–4816, doi:10.1021/jp021543t. (PDF)
G. A. Reynolds, K. H. Drexhage: New coumarin dyes with rigidized structure for flashlamp-pumped dye lasers. In: Optics Communications. Vol. 13, No. 3, 1975, S. 222–225, doi:10.1016/0030-4018(75)90085-1.
Ulrich Brackmann: Lambdachrome: Laser Dyes. 3. Auflage. Lamda Physik AG, Göttingen 2000 (PDF).

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[Kim-1] Eunha Kim, Seung Bum Park: Discovery of New Fluorescent Dyes: Targeted Synthesis or Combinatorial Approach? In: Alexander P. Demchenko (Hrsg.): Advanced Fluorescence Reporters in Chemistry and Biology. Band I: Fundamentals and Molecular Design (= Springer Series on Fluorescence). Springer, Berlin/ Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-04700-8, S. 150 ff.

[Sauer-2] M. Sauer, J. Hofkens, J. Enderlein: Handbook of Fluorescence Spectroscopy and Imaging: From Single Molecules to Ensembles: From Ensemble to Single Molecules. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2011, ISBN 978-3-527-31669-4, S. 39 ff. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

[3] Brian D. Wagner: The Use of Coumarins as Environmentally-Sensitive Fluorescent Probes of Heterogeneous Inclusion Systems. In: Molecules. Vol. 14, 2009, S. 210–237, doi:10.1201/b13129-16. (PDF)

[4] Sanjukta Nad, Manoj Kumbhakar, Haridas Pal: Photophysical Properties of Coumarin-152 and Coumarin-481 Dyes: Unusual Behavior in Nonpolar and in Higher Polarity Solvents. In: J. Phys. Chem. A. Vol. 107 (24), 2003, S. 4808–4816, doi:10.1021/jp021543t. (PDF)

[5] G. A. Reynolds, K. H. Drexhage: New coumarin dyes with rigidized structure for flashlamp-pumped dye lasers. In: Optics Communications. Vol. 13, No. 3, 1975, S. 222–225, doi:10.1016/0030-4018(75)90085-1.

[Brackmann-6] Ulrich Brackmann: Lambdachrome: Laser Dyes. 3. Auflage. Lamda Physik AG, Göttingen 2000 (PDF).