Zuurstofquenching

Zuurstofquenching is het proces waarbij moleculair zuurstof (O2) de geëxciteerde toestanden van luminescente of fluorescerende moleculen deactiveert, waardoor de emissie-intensiteit en vaak de levensduur van de emissie afnemen. Het speelt een sleutelrol in zowel fundamenteel onderzoek als instrumentele toepassingen en is een belangrijke bron van ruis en afbreuk in luminescente systemen die in aanwezigheid van zuurstof worden gebruikt.

Mechanismen

Er zijn twee hoofdtypen quenching door O2: dynamische (collisonele) quenching en statische quenching. Dynamische quenching treedt op wanneer O2 tijdens een botsing met het geëxciteerde molecuul energie overdraagt, wat leidt tot non-radiatieve afname van de toestand en een verkorte emissieliefde tijd (tau). Statistische quenching houdt in dat O2 een niet-emissief complex vormt met het fluorofor of fosfofor, waardoor minder emissie wordt waargenomen zonder noodzakelijkerwijs de lifetimes te beïnvloeden. Omdat O2 een triplet-groundstate heeft, kan de energie-overdracht ook resulteren in de vorming van singlet-zuurstof of andere afgeleide reactieve species. In veel systemen dragen beide mechanismen bij aan de waargenomen quencheffekten.

Kwantificering

De Stern-Volmer-relatie wordt veel gebruikt om quenching door O2 te kwantificeren. Voor dynamische quenching geldt doorgaans I0/I = 1 + Ksv [Q] en τ0/τ = 1 + Ksv [Q], waarbij I0 en τ0 de intensiteit en levensduur zonder quencher zijn, [Q] de O2-concentratie en Ksv de Stern-Volmer-constante. Static quenching vermindert de intensiteit zonder noodzakelijkerwijs de lifetimes te veranderen; in systemen met beide mechanismen kan een combinatie van modellen nodig zijn.

Toepassingen

Zuurstofquenching ondergaat een centrale rol in luminescente O2-sensoren, waarbij luminescente probes zoals ruthenium- of porfyrinecomplexen of andere fosfofermoleculen worden gebruikt. De pulsduur of intensiteitsverandering wordt gerelateerd aan de O2-concentratie en toegepast in medische monitoring, voedingsveiligheid en industriële procesbewaking. In materialenwetenschap en beeldvoering kan O2-quenching de efficiëntie van organische LED’s en andere luminiscentie-materialen beperken.