Quantum udbytte - Quantum yield

Den kvantumudbytte (Φ) af en stråling induceret proces er det antal gange, en bestemt begivenhed indtræffer pr foton absorberes af systemet.

Ansøgninger

Fluorescens spektroskopi

Den fluorescenskvantumudbytte defineres som forholdet mellem antallet af fotoner udsendt til antallet af fotoner absorberes.

Fluorescens kvanteudbytte måles på en skala fra 0 til 1,0, men er ofte repræsenteret som en procentdel. Et kvanteudbytte på 1,0 (100%) beskriver en proces, hvor hver absorberet foton resulterer i en foton udsendt. Stoffer med de største kvanteudbytter, såsom rhodaminer , viser de klareste emissioner; forbindelser med kvanteudbytter på 0,10 betragtes dog stadig som ganske fluorescerende.

Kvantumudbytte er defineret af den brøkdel af excenterede fluoroforer, der henfalder gennem fluorescens:

hvor er fluorescenskvanteudbyttet, er hastighedskonstanten for strålende afslapning (fluorescens), er hastighedskonstanten for alle ikke-strålende afslapningsprocesser. Ikke-strålende processer er exciterede tilstandsforfaldsmekanismer andre end fotonemission, som omfatter: Förster resonans energioverførsel , intern konvertering , ekstern konvertering og krydsning mellem systemer . Således påvirkes fluorescenskvanteudbyttet, hvis hastigheden af ​​en ikke-strålende vej ændres. Kvanteudbyttet kan være tæt på enhed, hvis den ikke-strålende henfaldshastighed er meget mindre end hastigheden af ​​strålingsforfald, det vil sige . ${\ displaystyle \ Phi _ {f}}$${\ displaystyle k_ {f}}$${\ displaystyle k_ {nr}}$${\ displaystyle k_ {f}> k_ {nr}}$

Fluorescenskvanteudbytter måles ved sammenligning med en standard for kendt kvanteudbytte. Den quinin -saltet quininsulfat i en svovlsyre opløsning blev betragtet som den mest almindelige fluorescens standard imidlertid en nylig undersøgelse viste, at fluorescenskvantumudbytte af denne opløsning er stærkt påvirket af temperaturen, og ikke længere anvendes som standardopløsning . Kininet i 0,1 M perchlorsyre ( = 0,60) viser ingen temperaturafhængighed op til 45 ° C, derfor kan det betragtes som en pålidelig standardløsning. ${\ displaystyle \ Phi}$

Fluorescens Quantum Yield Standards

Forbindelse	Opløsningsmiddel	${\ displaystyle \ lambda _ {\ mathrm {ex}} (\ mathrm {nm})}$	${\ displaystyle \ Phi}$
Kinin	0,1 M ${\ displaystyle {\ ce {HClO4}}}$	347,5	0,60 ± 0,02
Fluorescein	0,1 M ${\ displaystyle {\ ce {NaOH}}}$	496	0,95 ± 0,03
Tryptophan	Vand	280	0,13 ± 0,01
Rhodamin 6G	Ethanol	488	0,94

Eksperimentelt kan relative fluorescens kvantumudbytter bestemmes ved at måle fluorescensen af en fluorofor med kendt kvanteudbytte med de samme eksperimentelle parametre (excitation bølgelængde , spaltebredder, fotomultiplikator spænding etc.) som det pågældende stof. Kvanteudbyttet beregnes derefter ved:

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

hvor er kvantumudbyttet, Int er området under spidsværdien for udsendelse (på en bølgelængde skala), A er absorbansen (også kaldet "optisk tæthed") ved excitationsbølgelængden, og n er brydningsindekset af opløsningsmidlet . Abonnementet R angiver de respektive værdier for referencestoffet. Bestemmelsen af ​​fluorescenskvanteudbytter i spredningsmedier kræver yderligere overvejelser og korrektioner. ${\ displaystyle \ Phi}$

FRET Effektivitet

Förster resonans energioverførsel ( ) er kvanteudbyttet af energioverførselsovergangen, dvs. sandsynligheden for, at energioverførselshændelsen sker pr. Donor-excitationshændelse: ${\ displaystyle E}$

hvor  er energioverførselshastigheden,  donorens strålingsforfaldshastighed (fluorescens) og  er ikke-strålende afslapningshastigheder (f.eks. intern konvertering, krydsning mellem systemer, ekstern konvertering osv.). ${\ displaystyle k_ {ET}}$${\ displaystyle k_ {f}}$${\ displaystyle k_ {nr}}$

Opløsningsmiddel og miljøeffekter

Et fluorofores miljø kan påvirke kvanteudbyttet, normalt som følge af ændringer i hastighederne for ikke-strålende henfald. Mange fluoroforer, der bruges til at mærke makromolekyler, er følsomme over for opløsningsmiddelpolaritet. Klassen af 8-Anilinonaphthalen-1-sulfonsyre (ANS) probemolekyler er i det væsentlige ikke-fluorescerende, når de er i vandig opløsning, men bliver stærkt fluorescerende i upolære opløsningsmidler eller når de er bundet til proteiner og membraner. Kvanteudbyttet af ANS er ~ 0,002 i vandig buffer, men nær 0,4, når det er bundet til serumalbumin .

Fotokemiske reaktioner

Kvanteudbyttet af en fotokemisk reaktion beskriver antallet af molekyler, der gennemgår en fotokemisk begivenhed pr. Absorberet foton:

I en kemisk fotonedbrydningsproces , når et molekyle dissocierer efter at have absorberet en let kvante , er kvanteudbyttet antallet af ødelagte molekyler divideret med antallet af fotoner absorberet af systemet. Da ikke alle fotoner absorberes produktivt, vil det typiske kvanteudbytte være mindre end 1.

Kvantumudbytter større end 1 er mulige for fotoinducerede eller strålingsinducerede kædereaktioner , hvor en enkelt foton kan udløse en lang kæde af transformationer . Et eksempel er reaktionen mellem hydrogen og chlor , hvor der kan dannes op til ¹⁰⁶ molekyler hydrogenchlorid pr. Absorberet kvantum af blåt lys.

Ved optisk spektroskopi er kvanteudbyttet sandsynligheden for, at en given kvantetilstand dannes fra systemet, der oprindeligt blev fremstillet i en anden kvantetilstand. For eksempel er et singlet til triplet -overgangskvantumudbytte den brøkdel af molekyler, der efter at være fotoeksciteret til en singlet -tilstand krydser over til triplet -tilstanden.

Fotosyntese

Kvantumudbytte bruges til modellering af fotosyntese :

Se også

• Quantum dot
• Quantum effektivitet

Referencer