Простота постановки фотохимических реакций привела к быстрому распространению фотоокислительной химии. Большая часть ранних исследований фотоокислительных реакций, проводилась с использованием легкодоступных коммерческих ламп накаливания, допотопных ламп, бытовых лампочек или светодиодных лент с низким энергопотреблением. Часто реакции охлаждались (или не охлаждались) с помощью внешнего вентилятора в попытке поддержать низкую температуру, которая возрастала за счет тепла источника света или генерации тепла в ходе реакции. К сожалению, в то время мало что было известно или понятно о длине волны и интенсивности света в реакционной колбе. В конце концов, светодиоды с более высокой энергией и одной длиной волны стали источником света, который выбирает большинство химиков, но подробности о свете, используемом для реакций, остались скудными. Часто преобладающая критика фотохимии заключается в том, что реакция в малом масштабе работает, но ее масштабирование невозможно. Это может быть напрямую связано с двумя факторами: незнанием того, сколько света доступно от вашего источника света, и тем, что свет поглощается вашим катализатором (подробнее об этом позже) [Harper, K. Moschetta, et al, 2019].
В последнее время предпринимаются целенаправленные усилия, чтобы относиться к свету, используемому в реакции, с такой же тщательностью и вниманием, как к любому стохиометрическому реагенту в реакции [Bonfield, et al., 2020]. Не сообщать подробности об используемом в реакции свете - это все равно что сказать, что вы "нагрели реакцию", не сообщив температуру. Однако определить интенсивность и тип света, который попадает в реакционную пробирку, сложнее, чем кажется. Отчасти это связано с тем, что исторически сложилось так, что мы не можем определить яркость и интенсивность света для имеющихся в продаже источников света. Вторая проблема связана с двумерным измерением света для имитации трехмерной реакции. (Хорошо для света на солнечной батарее, но не так хорошо для реакционной колбы).
Свет обычно делится на три категории: ультрафиолетовый (от 100 до 380 нм), видимый (380-700 нм) и инфракрасный (более 700 нм). Солнечный свет сам по себе является комбинацией всех этих видов излучения. Излучение, которое достигает Земли от Солнца, представляет собой широкий набор длин волн, варьирующихся от 100 нм до 1 мм. Почти все, что ниже 280 нм, блокируется земной атмосферой (пока), а набор длин волн в видимой области мы воспринимаем как белый свет. Более длинные инфракрасные волны (тепловое излучение) составляют около 50 % излучения, которое мы получаем от солнца. Аналогичным образом бытовые лампы накаливания пытаются имитировать белый свет, который мы воспринимаем в природе.
Единицы, которые мы обычно используем для описания яркости (или интенсивности света) - будь то солнечный свет или бытовые источники света, - берут свое начало в солнечном свете и в том, как мы воспринимаем его человеческим глазом. При определении "яркости" солнечного света мы хотим знать сумму всех длин волн и общую энергию, которая рассеивается на большой площади.
Большинство источников света указывают цвет (длину волны) и электрическую мощность (ватт). Номинальная электрическая мощность - это показатель силы света. Почти все коммерческие лампы оцениваются в люменах - единицах, которые усредняют весь спектр света. Монохроматические светодиоды делают эти измерения неактуальными. Лампы CFL и LED с одинаковой мощностью не будут иметь одинаковую световую отдачу и не смогут передать одинаковое количество энергии на реакцию. Кроме того, бытовые лампочки рассеивают свет во всех направлениях, в то время как сфокусированные источники света, такие как светодиоды, фокусируют свет в одном направлении. Разница в угле наклона луча у разных типов светодиодов еще больше усложняет определение количества света, которое попадает в реакционную пробирку (см. рисунок ниже).
Для светодиодов поток излучения (измеряется в ваттах, которые представляют собой Дж/с) и сила света (облученность, мВт/см2) дают нам более точное измерение. С помощью радиоспектрометра можно измерить мощность светодиода (в ваттах) и силу света (в ваттах/см2) на заданном расстоянии от источника света, а также определить длину волны. Облученность измеряется в одной точке в одном направлении, поэтому ее можно использовать для прямого сравнения различных источников света. Облученность и люкс не эквивалентны, поскольку облученность не основана на чувствительности человеческого глаза.
Ось y представляет интенсивность света (облученность), а ось x - угол луча. Приведенный график показывает, что светодиодная лампа мощностью 20 Вт с углом луча 20 градусов так же эффективна, как и светодиодная лампа мощностью 80 Вт с углом 40 градусов
С облучением мы приближаемся к ответу, но все еще рассматриваем двумерное измерение. Что мы действительно хотели бы знать, так это количество фотонов, поглощаемых всей реакцией (поток фотонов). Поток фотонов зависит от ряда факторов, включая источник света (мощность, спектр), положение и форму реакционной пробирки и объем реакции. Чтобы решить эту проблему, нам нужна актинометрия.
Хотя на первый взгляд это может показаться сложным, существуют инструменты для прямого определения потока фотонов в любой реакционной установке. Имея эту информацию, поток фотонов, полученный в одном эксперименте, можно напрямую сравнивать с любой реакционной установкой при масштабировании метода или переносе его из лаборатории в лабораторию.
