量子収率

蛍光量子収率（FQY）は、放出された光子の数と吸収された光子の数の比として定義されます。 ^{[ 2 ] [ 3 ]}

$$\displaystyle \Phi ={\frac {\text{放出された光子の数}}{\text{吸収された光子の数}}}}$$

蛍光量子収率は0から1.0までのスケールで測定されますが、多くの場合、パーセンテージで表されます。量子収率が1.0（100%）とは、吸収された光子1個につき光子1個が放出されるプロセスを指します。ローダミン類など、量子収率が最も高い物質は最も明るい発光を示しますが、量子収率が0.10の化合物でも十分に蛍光性があるとみなされます。

量子収率は、励起状態の蛍光色素のうち、蛍光を発して減衰する割合によって定義される。

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

どこ

• Φf_は蛍光量子収率であり、
• k _fは放射緩和（蛍光）の速度定数であり、
• k _nrは、すべての非放射緩和過程の速度定数である。

非放射過程は、光子放出以外の励起状態崩壊機構であり、これには、フェルスター共鳴エネルギー移動、内部転換、外部転換、および項間交差が含まれます。したがって、非放射経路のいずれかの速度が変化すると、蛍光量子収率に影響します。非放射崩壊速度が放射崩壊速度よりもはるかに小さい場合、つまりk _f > k _nrの場合、量子収率は 1 に近くなります。^{[ 2 ]}

Fluorescence quantum yields are measured by comparison to a standard of known quantum yield.^[2] The quinine salt quinine sulfate in a sulfuric acid solution was regarded as the most common fluorescence standard,^[4] however, a recent study revealed that the fluorescence quantum yield of this solution is strongly affected by the temperature, and should no longer be used as the standard solution. The quinine in 0.1M perchloric acid (Φ = 0.60) shows no temperature dependence up to 45 °C, therefore it can be considered as a reliable standard solution.^[5]

Experimentally, relative fluorescence quantum yields can be determined by measuring fluorescence of a fluorophore of known quantum yield with the same experimental parameters (excitation wavelength, slit widths, photomultiplier voltage etc.) as the substance in question. The quantum yield is then calculated by:

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

where

• Φ is the quantum yield,
• Int is the area under the emission peak (on a wavelength scale),
• A is absorbance (also called "optical density") at the excitation wavelength,
• n is the refractive index of the solvent.

The subscript R denotes the respective values of the reference substance.^[6][7] The determination of fluorescence quantum yields in scattering media requires additional considerations and corrections.^[8]

光化学反応の量子収率は、吸収された光子あたりに光化学反応を起こす分子の数を表します。^{[ 1 ] [ 11 ]}

$${\displaystyle \Phi ={\frac {\rm {対象となる反応を起こしている分子の数}}{\rm {光反応性物質によって吸収された光子の数}}}$$

化学的な光分解プロセスにおいて、分子が光量子を吸収した後に解離する際、量子収率は、破壊された分子の数を系が吸収した光子の数で割った値です。すべての光子が有効に吸収されるわけではないため、典型的な量子収率は1未満になります。

$${\displaystyle \Phi ={\frac {\rm {分解された分子の数}}{\rm {吸収された光子の数}}}$$

光誘起または放射線誘起連鎖反応では、1を超える量子収率が可能であり、1つの光子が長い連鎖反応を引き起こす可能性がある。一例として、水素と塩素の反応があり、吸収された青色光1量子あたり最大10⁶^個の塩化水素分子が生成される可能性がある。^{[ 12 ]}

光化学反応の量子収率は、反応性発色団の構造、近接性、濃度、溶媒環境の種類、入射光の波長に大きく依存する可能性がある。このような効果は波長可変レーザーで研究することができ、得られた量子収率データは光化学反応の変換率と選択性を予測するのに役立つ。^{[ 13 ]}

光分光法において、量子収率とは、ある量子状態から別の量子状態へと遷移する確率のことである。例えば、一重項状態から三重項状態への遷移量子収率とは、光励起によって一重項状態に励起された分子のうち、三重項状態に遷移する分子の割合を指す。

量子収率は光合成のモデル化に使用されます: ^{[ 14 ]}

$${\displaystyle \Phi ={\frac {\rm {\mu mol\ CO_{2}\ 固定}}{\rm {\mu mol\ 光子\ 吸収}}}$$