Квантовый выход - Quantum yield

В квантовый выход (Φ) из радиация -индуцированный процесс - это количество раз, когда конкретное событие происходит за фотон поглощается системой.^[1]

${\displaystyle \Phi (\lambda )={\frac {\text{ number of events }}{\text{ number of photons absorbed }}}}$

Приложения

Флуоресцентная спектроскопия

В квантовый выход флуоресценции определяется как отношение количества излучаемых фотонов к количеству поглощенных фотонов.^[2]

${\displaystyle \Phi ={\frac {\rm {\#\ photons\ emitted}}{\rm {\#\ photons\ absorbed}}}}$

Квантовый выход флуоресценции измеряется по шкале от 0 до 1,0, но часто выражается в процентах. Квантовый выход 1,0 (100%) описывает процесс, в котором каждый фотон поглощение приводит к испусканию фотона. Вещества с наибольшим квантовым выходом, такие как родамины, отображать самые яркие излучения; однако соединения с квантовым выходом 0,10 по-прежнему считаются достаточно флуоресцентными.

Квантовый выход определяется долей возбужденное состояние флуорофоры которые распадаются за счет флуоресценции:

${\displaystyle \Phi _{f}={\frac {k_{f}}{k_{f}+\sum k_{nr}}}}$

где ${\displaystyle \Phi _{f}}$ - квантовый выход флуоресценции, ${\displaystyle k_{f}}$ - константа скорости радиационной релаксации (флуоресценции), ${\displaystyle k_{nr}}$ - константа скорости всех безызлучательных релаксационных процессов. Безызлучательные процессы представляют собой механизмы распада возбужденного состояния, отличные от излучения фотонов, которые включают: Фёрстеровский резонансный перенос энергии, внутренняя конверсия, внешнее преобразование и межсистемный переход. Таким образом, на квантовый выход флуоресценции влияет изменение скорости любого безызлучательного пути. Квантовый выход может быть близок к единице, если скорость безызлучательного распада намного меньше скорости радиационного распада, т. Е. ${\displaystyle k_{f}>k_{nr}}$.^[2]

Квантовые выходы флуоресценции измеряются путем сравнения со стандартом известного квантового выхода.^[2] В хинин поваренная соль сульфат хинина в серная кислота раствор является обычным стандартом флуоресценции.

Стандарты квантового выхода флуоресценции

Соединение	Растворитель	${\displaystyle \lambda _{\mathrm {ex} }(\mathrm {nm} )}$	${\displaystyle \Phi }$
Сульфат хинина	1 млн ${\displaystyle {\ce {H2SO4}}}$	350	0.577
Флуоресцеин	0,1 млн ${\displaystyle {\ce {NaOH}}}$	496	0.95 ± 0.03
Триптофан	вода	280	0.13 ± 0.01
Родамин 6G	Этиловый спирт	488	0.94

Экспериментально относительный квантовый выход флуоресценции может быть определен путем измерения флуоресценции флуорофор известного квантового выхода при тех же экспериментальных параметрах (возбуждение длина волны, ширина щели, фотоумножитель напряжение и т. д.) как рассматриваемое вещество. Затем квантовый выход рассчитывается по формуле:

${\displaystyle \Phi =\Phi _{\mathrm {R} }\times {\frac {\mathit {Int}}{{\mathit {Int}}_{\mathrm {R} }}}{\frac {1-10^{-A_{\mathrm {R} }}}{1-10^{-A}}}{\frac {{n}^{2}}{{n_{\mathrm {R} }}^{2}}}}$

где ${\displaystyle \Phi }$ квантовый выход, Int - площадь под пиком излучения (по шкале длин волн), А является поглощение (также называемая «оптической плотностью») на длине волны возбуждения, и п это показатель преломления из растворитель. Нижний индекс R обозначает соответствующие значения эталонного вещества.^[3][4]

FRET эффективность

Фёрстеровский резонансный перенос энергии (${\displaystyle E}$) - квантовый выход перехода с переносом энергии, то есть вероятность того, что событие передачи энергии произойдет на событие возбуждения донора:

${\displaystyle E=\Phi _{FRET}={\frac {k_{ET}}{k_{ET}+k_{f}+\sum k_{nr}}}}$

где ${\displaystyle k_{ET}}$ - скорость передачи энергии, ${\displaystyle k_{f}}$ скорость радиационного распада (флуоресценции) донора, и ${\displaystyle k_{nr}}$ - скорости безызлучательной релаксации (например, внутреннее преобразование, межсистемное пересечение, внешнее преобразование и т. д.).^[5][6]

Воздействие растворителей и окружающей среды

Окружение флуорофора может влиять на квантовый выход, обычно в результате изменения скорости безызлучательного распада.^[2] Многие флуорофоры, используемые для мечения макромолекул, чувствительны к полярности растворителя. Класс 8-анилинонафталин-1-сульфоновая кислота (ANS) молекулы зондов в основном нефлуоресцируют в водном растворе, но становятся сильно флуоресцентными в неполярных растворителях или при связывании с белками и мембранами. Квантовый выход АНС составляет ~ 0,002 дюйма водный буфер, но около 0,4 при связывании с сывороткой альбумин.

Фотохимические реакции

Квантовый выход фотохимическая реакция описывает количество молекул, подвергающихся фотохимическому событию, на поглощенный фотон:^[1]

${\displaystyle \Phi ={\frac {\text{ number of molecules undergoing the reaction of interest }}{\text{ number of photons absorbed by the photoreactive substance }}}}$

В химическом фотодеградация процесс, когда молекула диссоциирует после поглощения света квант, квантовый выход - это количество разрушенных молекул, деленное на количество фотонов, поглощенных системой. Поскольку не все фотоны продуктивно поглощаются, типичный квантовый выход будет меньше 1.

${\displaystyle \Phi ={\frac {\rm {\#\ molecules\ decomposed}}{\rm {\#\ photons\ absorbed}}}}$

Квантовый выход больше 1 возможен для фотоиндуцированных или радиационно-индуцированных цепные реакции, в котором одиночный фотон может вызвать длительную цепочка преобразований. Одним из примеров является реакция водород с участием хлор, в котором целых 10⁶ молекулы хлористый водород может образоваться на один квант поглощенного синего света.^[7]

В оптическая спектроскопия, квантовый выход - это вероятность того, что данное квантовое состояние образуется из системы, изначально приготовленной в каком-то другом квантовом состоянии. Например, синглет к триплет Квантовый выход перехода - это доля молекул, которая после возбужденный в синглетное состояние перейти в триплетное состояние.

Фотосинтез

Квантовый выход используется при моделировании фотосинтез:^[8]

${\displaystyle \Phi ={\frac {\rm {\mu mol\ CO_{2}\ fixed}}{\rm {\mu mol\ photons\ absorbed}}}}$

Смотрите также

• Квантовая точка
• Квантовая эффективность

использованная литература

1. Браславский, С.Е. (01.01.2007). «Глоссарий терминов, используемых в фотохимии, 3-е издание (Рекомендации IUPAC 2006 г.)». Чистая и прикладная химия. 79 (3): 293–465. Дои:10.1351 / pac200779030293. ISSN  1365-3075.
2. Лакович, Джозеф Р. Принципы флуоресцентной спектроскопии (Kluwer Academic / Plenum Publishers 1999) с.10. ISBN  978-0-387-31278-1
3. Альберт М. Брауэр, Стандарты для измерения квантового выхода фотолюминесценции в растворах (Технический отчет ИЮПАК), Pure Appl. Chem., Vol. 83, No. 12, pp. 2213–2228, 2011. doi: 10.1351 / PAC-REP-10-09-31.
4. Левит, Марсия (22 апреля 2020 г.). «Учебное пособие: измерение спектров флуоресценции и определение относительных квантовых выходов флуоресценции прозрачных образцов». Методы и применение во флуоресценции. 8 (3): 033001. Дои:10.1088 / 2050-6120 / ab7e10. ISSN  2050-6120. PMID  32150732.
5. душ Ремедиос, Кристобаль Дж .; Моэнс, Пьер Д. (Сентябрь 1995 г.). «Спектроскопия флуоресцентного резонансного переноса энергии - надежный« правитель »для измерения структурных изменений в белках». Журнал структурной биологии. 115 (2): 175–185. Дои:10.1006 / jsbi.1995.1042.
6. «Передача энергии резонанса флуоресценции». Химия LibreTexts. 2013-10-02. Получено 2020-11-30.
7. Лайдлер К.Дж., Химическая кинетика (3-е изд., Harper & Row, 1987) с.289. ISBN  0-06-043862-2
8. Skillman JB (2008). «Квантовая вариация урожайности по трем путям фотосинтеза: еще не вышло из темноты». J. Exp. Бот. 59 (7): 1647–61. Дои:10.1093 / jxb / ern029. PMID  18359752.