Rendimento quântico - Quantum yield

O rendimento quântico (Φ) de um processo induzido por radiação é o número de vezes que um evento específico ocorre por fóton absorvido pelo sistema.

Formulários

Espectroscopia de fluorescência

O rendimento quântico de fluorescência é definido como a razão entre o número de fótons emitidos e o número de fótons absorvidos.

O rendimento quântico da fluorescência é medido em uma escala de 0 a 1,0, mas geralmente é representado como uma porcentagem. Um rendimento quântico de 1,0 (100%) descreve um processo onde cada fóton absorvido resulta em um fóton emitido. As substâncias com os maiores rendimentos quânticos, como as rodaminas , exibem as emissões mais brilhantes; no entanto, compostos com rendimentos quânticos de 0,10 ainda são considerados bastante fluorescentes.

O rendimento quântico é definido pela fração de fluoróforos de estado excitado que decaem através da fluorescência:

onde é o rendimento quântico de fluorescência, é a constante de taxa para relaxamento radiativo (fluorescência), é a constante de taxa para todos os processos de relaxamento não radiativo. Os processos não radiativos são mecanismos de decaimento do estado excitado, além da emissão de fótons, que incluem: Transferência de energia de ressonância de Förster , conversão interna , conversão externa e cruzamento intersistema . Assim, o rendimento quântico de fluorescência é afetado se a taxa de qualquer via não radiativa mudar. O rendimento quântico pode ser próximo da unidade se a taxa de decaimento não radiativo for muito menor do que a taxa de decaimento radiativo . ${\ displaystyle \ Phi _ {f}}$${\ displaystyle k_ {f}}$${\ displaystyle k_ {nr}}$${\ displaystyle k_ {f}> k_ {nr}}$

Os rendimentos quânticos de fluorescência são medidos por comparação com um padrão de rendimento quântico conhecido. O quinino sal sulfato de quinina em um ácido sulfúrico solução foi considerada como o padrão de fluorescência mais comum, no entanto, um estudo recente revelou que o rendimento quântico de fluorescência desta solução é fortemente afectada pela temperatura, e não deve ser usada como a solução padrão . A quinina em ácido perclórico 0,1 M ( = 0,60) não apresenta dependência com a temperatura até 45 ° C, portanto pode ser considerada uma solução padrão confiável. ${\ displaystyle \ Phi}$

Padrões de rendimento quântico de fluorescência

Composto	Solvente	${\ displaystyle \ lambda _ {\ mathrm {ex}} (\ mathrm {nm})}$	${\ displaystyle \ Phi}$
Quinina	0,1 mi ${\ displaystyle {\ ce {HClO4}}}$	347,5	0,60 ± 0,02
Fluoresceína	0,1 mi ${\ displaystyle {\ ce {NaOH}}}$	496	0,95 ± 0,03
Triptofano	Água	280	0,13 ± 0,01
Rodamina 6G	Etanol	488	0,94

Experimentalmente, os rendimentos quânticos de fluorescência relativos podem ser determinados medindo a fluorescência de um fluoróforo de rendimento quântico conhecido com os mesmos parâmetros experimentais (comprimento de onda de excitação , larguras de fenda, voltagem fotomultiplicadora etc.) da substância em questão. O rendimento quântico é então calculado por:

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

onde é o rendimento quântico, Int é a área sob o pico de emissão (em uma escala de comprimento de onda), A é a absorbância (também chamada de "densidade óptica") no comprimento de onda de excitação e n é o índice de refração do solvente . O subscrito R denota os respectivos valores da substância de referência. A determinação dos rendimentos quânticos de fluorescência em meios de espalhamento requer considerações e correções adicionais. ${\ displaystyle \ Phi}$

Eficiência FRET

Transferência de energia de ressonância de Förster ( ) é o rendimento quântico da transição de transferência de energia, ou seja, a probabilidade do evento de transferência de energia ocorrer por evento de excitação doador: ${\ displaystyle E}$

onde  é a taxa de transferência de energia,  a taxa de decaimento radiativo (fluorescência) do doador e  são taxas de relaxamento não radiativo (por exemplo, conversão interna, cruzamento intersistema, conversão externa, etc.). ${\ displaystyle k_ {ET}}$${\ displaystyle k_ {f}}$${\ displaystyle k_ {nr}}$

Solvente e efeitos ambientais

O ambiente de um fluoróforo pode impactar o rendimento quântico, geralmente resultante de mudanças nas taxas de decaimento não radiativo. Muitos fluoróforos usados ​​para marcar macromoléculas são sensíveis à polaridade do solvente. A classe das moléculas de sonda de ácido 8-anilinonaftaleno-1-sulfônico (ANS) são essencialmente não fluorescentes quando em solução aquosa, mas tornam-se altamente fluorescentes em solventes não polares ou quando ligadas a proteínas e membranas. O rendimento quântico de ANS é de ~ 0,002 em tampão aquoso , mas próximo de 0,4 quando ligado à albumina sérica .

Reações fotoquímicas

O rendimento quântico de uma reação fotoquímica descreve o número de moléculas que sofrem um evento fotoquímico por fóton absorvido:

Em um processo de fotodegradação química , quando uma molécula se dissocia após absorver um quantum de luz , o rendimento quântico é o número de moléculas destruídas dividido pelo número de fótons absorvidos pelo sistema. Como nem todos os fótons são absorvidos produtivamente, o rendimento quântico típico será menor que 1.

Rendimentos quânticos maiores que 1 são possíveis para reações em cadeia fotoinduzidas ou induzidas por radiação , nas quais um único fóton pode desencadear uma longa cadeia de transformações . Um exemplo é a reação do hidrogênio com o cloro , em que até 10 ⁶ moléculas de cloreto de hidrogênio podem ser formadas por quantum de luz azul absorvida.

Na espectroscopia óptica , o rendimento quântico é a probabilidade de que um determinado estado quântico seja formado a partir do sistema inicialmente preparado em algum outro estado quântico. Por exemplo, um rendimento quântico de transição de singleto para tripleto é a fração de moléculas que, após serem fotoexcitadas em um estado de singleto, passam para o estado de tripleto.

Fotossíntese

O rendimento quântico é usado na modelagem da fotossíntese :

Veja também

• Ponto quântico
• Eficiência quântica

Referências