Rendimiento cuántico

En física de partículas, el rendimiento cuántico (denotado Φ) de un proceso inducido por radiación es el número de veces que ocurre un evento específico por fotón. absorbido por el sistema.

CCPR CCPR ()λ λ )= Número de eventos número de fotones absorbidos {displaystyle Phi (lambda)={frac {text{ number of events }{text{ number of photons absorbed }}}}}

Aplicaciones

Espectroscopia de fluorescencia

El rendimiento cuántico de fluorescencia se define como la relación entre el número de fotones emitidos y el número de fotones absorbidos.

CCPR CCPR =# # photons emitted# # photons absorbed{displaystyle Phi ={frac {rm {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\cH00\cH009\\cH009\cH009\\\\\\\cH001}}}}}}}

El rendimiento cuántico de fluorescencia se mide en una escala de 0 a 1,0, pero a menudo se representa como un porcentaje. Un rendimiento cuántico de 1,0 (100%) describe un proceso en el que cada fotón absorbido da como resultado un fotón emitido. Las sustancias con mayor rendimiento cuántico, como las rodaminas, muestran las emisiones más brillantes; sin embargo, los compuestos con rendimientos cuánticos de 0,10 todavía se consideran bastante fluorescentes.

El rendimiento cuántico se define por la fracción de fluoróforos en estado excitado que se desintegran mediante fluorescencia:

CCPR CCPR f=kfkf+. . knr{displaystyle Phi _{f}={frac {k_{f}{k_{f}+sum k_{mathrm {nr} }

donde

• CCPR_f es el rendimiento cuántico de fluorescencia,
• k_f es la frecuencia constante para la relajación radiativa (fluorescencia),
• k_n es la tasa constante para todos los procesos de relajación no radiativos.

Los procesos no radiativos son mecanismos de desintegración del estado excitado distintos de la emisión de fotones, que incluyen: transferencia de energía por resonancia de Förster, conversión interna, conversión externa y cruce entre sistemas. Por tanto, el rendimiento cuántico de fluorescencia se ve afectado si cambia la velocidad de cualquier vía no radiativa. El rendimiento cuántico puede ser cercano a la unidad si la tasa de desintegración no radiativa es mucho menor que la tasa de desintegración radiativa, es decir, k_f > k_nr.

Los rendimientos cuánticos de fluorescencia se miden comparándolos con un estándar de rendimiento cuántico conocido. La sal de quinina sulfato de quinina en una solución de ácido sulfúrico se consideraba el estándar de fluorescencia más común; sin embargo, un estudio reciente reveló que el rendimiento cuántico de fluorescencia de esta solución se ve fuertemente afectado por la temperatura y no debería ya no podrá utilizarse como solución estándar. La quinina en ácido perclórico 0,1 M (Φ = 0,60) no depende de la temperatura hasta 45 °C, por lo que puede considerarse una solución estándar fiable.

Normas de rendimiento cuántica de fluorescencia

Compuesto	Solvent	λ λ ex()nm){displaystyle lambda _{mathrm {ex}(mathrm {nm})}	CCPR CCPR {displaystyle Phi
Quinine	0.1 M HClO4	347.5	0,60 ± 0,02
Fluorescein	0.1 M NaOH	496	0,95 ± 0,03
Tryptophan	Agua	280	0,13 ± 0,01
Rhodamine 6G	Ethanol	488	0.94

Experimentalmente, los rendimientos cuánticos de fluorescencia relativos se pueden determinar midiendo la fluorescencia de un fluoróforo de rendimiento cuántico conocido con los mismos parámetros experimentales (longitud de onda de excitación, anchos de rendijas, voltaje del fotomultiplicador, etc.) que la sustancia en cuestión. Luego, el rendimiento cuántico se calcula mediante:

CCPR CCPR =CCPR CCPR R× × IntIntR× × 1− − 10− − AR1− − 10− − A× × n2nR2{displaystyle Phi =Phi _{mathrm {R}times {fnMitit} {cHFF} {cHFF} {cHFF} {cHFF} {cHFF} {cHFF} {cHFF} {cHFF}} {cHFF}} {cHFF}} {cHFF}} {\fnHFF}} {\\fnHFF}}}}} {\\ {Int}_{mathrm} {R}}times {frac {1-10^{-A_{mathrm {R} {}}{1-10^{-A}}times {frac {{n}{n}{n_{mathrm {R}}} {2}}}

dónde

• CCPR es el rendimiento cuántico,
• Int es el área bajo el pico de emisión (en una escala de longitud de onda),
• A es la absorción (también llamada " densidad óptica") en la longitud de onda de excitación,
• n es el índice refractivo del solvente.

El subíndice R indica los valores respectivos de la sustancia de referencia. La determinación de los rendimientos cuánticos de fluorescencia en medios de dispersión requiere consideraciones y correcciones adicionales.

Eficiencia FRET

Förster Resonance Energy Transfer Eficiencia ( e ) es el rendimiento cuántico de la transición de transferencia de energía, es decir, la probabilidad de la probabilidad del Evento de transferencia de energía que ocurre por evento de excitación de donantes:

E=CCPR CCPR FRET=kETkET+kf+. . knr{displaystyle E=Phi _{mathrm {FRET}={frac {k_{mathrm {} {f} {f}f}f}f} {f}} {f}} {f}} {f} {f} }

dónde

• k_ET es la tasa de transferencia de energía,
• k_f la tasa de desintegración radiativa (fluorescencia) del donante,
• k_n son tasas de relajación no radiativas (por ejemplo, conversión interna, cruce de sistemas, conversión externa, etc.).

Efectos de los disolventes y el medio ambiente

El entorno de un fluoróforo puede afectar el rendimiento cuántico, generalmente como resultado de cambios en las tasas de desintegración no radiativa. Muchos fluoróforos utilizados para marcar macromoléculas son sensibles a la polaridad del disolvente. La clase de moléculas sonda del ácido 8-anilinonaftaleno-1-sulfónico (ANS) son esencialmente no fluorescentes cuando están en solución acuosa, pero se vuelven altamente fluorescentes en solventes no polares o cuando se unen a proteínas y membranas. El rendimiento cuántico de ANS es ~0,002 en tampón acuoso, pero cercano a 0,4 cuando se une a albúmina sérica.

Reacciones fotoquímicas

El rendimiento cuántico de una reacción fotoquímica describe el número de moléculas que experimentan un evento fotoquímico por fotón absorbido:

CCPR CCPR =# # molecules undergoing reaction of interest# # photons absorbed bSí. photoreactive substance{displaystyle Phi ={frac {rm {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft Sans Serif}}}}}

En un proceso de fotodegradación química, cuando una molécula se disocia después de absorber un cuanto de luz, el rendimiento cuántico es el número de moléculas destruidas dividido por el número de fotones absorbidos por el sistema. Dado que no todos los fotones se absorben productivamente, el rendimiento cuántico típico será inferior a 1.

CCPR CCPR =# # molecules decomposed# # photons absorbed{displaystyle Phi ={frac {rm {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft Sans Serif}}}}}} {\\fnMicrosoft Sans Serif}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMin

Es posible obtener rendimientos cuánticos superiores a 1 para reacciones en cadena fotoinducidas o inducidas por radiación, en las que un solo fotón puede desencadenar una larga cadena de transformaciones. Un ejemplo es la reacción del hidrógeno con el cloro, en la que se pueden formar hasta 10⁶ moléculas de cloruro de hidrógeno por cada cuanto de luz azul absorbida.

Los rendimientos cuánticos de las reacciones fotoquímicas pueden depender en gran medida de la estructura, la proximidad y la concentración de los cromóforos reactivos, el tipo de entorno disolvente y la longitud de onda de la luz incidente. Estos efectos pueden estudiarse con láseres de longitud de onda sintonizable y los datos de rendimiento cuántico resultantes pueden ayudar a predecir la conversión y la selectividad de las reacciones fotoquímicas.

En la espectroscopía óptica, el rendimiento cuántico es la probabilidad de que un estado cuántico dado se forme del sistema inicialmente preparado en algún otro estado cuántico. Por ejemplo, un rendimiento cuántico de transición singlete a triplete es la fracción de las moléculas que, después de ser fotoexcitadas en un estado singlete, cruzan al estado triplete.

Photosíntesis

El rendimiento cuántico se utiliza en el modelado de la fotosíntesis:

CCPR CCPR =μ μ mol CO2 fixedμ μ mol photons absorbed{displaystyle Phi ={frac {rm {mu mol CO_{2}}{rm {mu mol photons absorbed}}}}