量子产率
量子产率（Quantum Yield, 或 ） 是描述一个受光诱导的系统发生特定过程的效率的物理量。其定义为该过程发生的次数与系统吸收的光子数之比。
量子产率通常是一个介于 到 之间的数值（或以 到 表示）。数值越大，表示该光化学或物理过程的效率越高。
1. 基本定义与公式
根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的定义，量子产率的一般表达式为：
在光化学反应中，如果一个光子能引发多个后续反应（如链式反应），量子产率可能会大于 。
2. 主要分类
根据研究对象的不同，量子产率主要分为以下几种形式：
2.1 荧光量子产率 (Fluorescence Quantum Yield)
这是分子科学中最常用的指标，用于衡量荧光物质的发光能力。定义为发射出的荧光光子数与吸收的激发光子数之比。
- 计算公式：
其中 为荧光发射速率， 为所有衰减过程（包括辐射和非辐射衰减）的速率总和。
2.2 光化学量子产率 (Photochemical Quantum Yield)
用于衡量光化学反应的效率。例如，在光分解反应中，指分解的分子数与吸收的光子数之比。
2.3 光伏量子产率 (Photovoltaic Quantum Yield)
在太阳能电池领域，分为两种：
- 外量子效率 (EQE): 收集到的电荷载流子数与照射在器件表面的入射光子数之比。
- 内量子效率 (IQE): 收集到的电荷载流子数与器件实际吸收的光子数之比（排除了反射和透射损失）。
3. 影响因素
量子产率的高低受多种物理和化学因素影响：
- 分子结构： 刚性结构的分子（如荧光素）通常具有较高的荧光量子产率，因为减少了能量通过振动散失的机会。
- 环境因素： 溶剂的极性、黏度、pH值以及温度都会显著改变 。
- 聚集效应： * ACQ 效应： 多数分子在聚集态下量子产率急剧下降。
-
AIE 效应： 某些特殊分子在聚集态下量子产率反而大幅提升。
-
淬灭剂： 氧气、重金属离子等“淬灭剂”的存在会开辟新的非辐射跃迁路径，降低量子产率。
4. 测量方法
测量量子产率通常有两种主要手段：
- 相对测量法： 选用一种已知准确量子产率的标准物质（如硫酸奎宁或罗丹明6G）作为参照，在相同实验条件下对比样品的荧光强度。
- 绝对测量法： 使用积分球 (Integrating Sphere) 收集样品发出的所有方向的光子，直接计算发射与吸收的光子总数。这种方法不需要标准参照物，准确度更高，尤其适用于固体和薄膜样品。
5. 应用意义
- 生物传感器： 筛选高量子产率的荧光探针，可以实现更深层的组织成像和更低的检测限。
- 材料表征： 在研发 OLED 显示材料时，发光层的内量子产率直接决定了屏幕的省电程度。
- 环境科学： 用于评估污染物在阳光照射下的降解速率。
参考文献
- Lakowicz, J. R. (2006). Principles of Fluorescence Spectroscopy. Springer.
- IUPAC. Compendium of Chemical Terminology (the "Gold Book").
- Braslavsky, S. E. (2007). "Glossary of terms used in photochemistry (IUPAC Recommendations 2006)". Pure and Applied Chemistry.
参见
- 荧光 (Fluorescence)
- 磷光 (Phosphorescence)
- 斯托克斯位移 (Stokes Shift)
- 聚集诱导发光 (AIE)