内周天线CP43、CP47中β-Car到Chla分子间的能量传递

采用超快荧光光谱动力学对从菠菜中分离纯化的内周天线CP43、CP47进行研究,获取了它们的动力学三维荧光谱,CP43的荧光光谱范围为640～780nm,最大峰位于680nm处,在该峰值处的荧光寿命约为3.54ns;CP47的荧光光谱范围为630～775nm,最大峰位于691nm处,在该峰值处的荧光寿命约为3.22ns,在CP43和CP47中,Chla分子发射荧光的效率分别约为38.3%和40.6%.依据分子的退激发途径,我们分析认为在CP43、CP47中β-Car→Chla分子的能量传递速率常量分别为9.06×10¹¹s^-1,1.3×10¹²s^-1;能量传递效率分别为47.5%、66.5%;并估计β-Car分子与Chla分子外周之间的距离分别为0.110nm、0.085nm.     

光系统Ⅱ荧光特性快速扫描成象光谱技术研究

本文以菠菜(Spinica oleracea L.)叶绿体中的PS颗粒复合物、CP47、CP43和LHC为材料,对其结构和功能关系进行了分析,用扫描成象光谱技术对这四种样品的光谱特性进行了研究,并通过对其荧光发射光谱图象的处理,得到它们的荧光发射光谱曲线.分析结果表明,PS颗粒复合物的荧光发射光谱中心波长在680.1nm,波段的范围较宽;CP43荧光光谱的中心波长位于680nm,并在近红外区观察到振动小峰;CP47荧光光谱的中心波长在691.3nm处;CP47和CP43在短波长区640nm和长波长区720nm附近分别出现肩峰,推测可能是样品中游离的叶绿素a和叶绿素b分子引起;LCH荧光发射光谱的峰值位于678nm,光谱范围为576nm～780nm.     

核心天线CP43、CP47的荧光光谱特性

采用快速扫描成象光谱技术对核心天线CP43和CP47的荧光光谱特性进行研究,获取了它们的积分荧光谱,通过积分荧光谱的组分光谱解析,并结合吸收光谱分析认为CP43和CP47具有这样的Chla的光谱特性,CP43:Chla₆₆₀^662.43、Chla₆₆₉^670.23、Chla₆₈₂^684.02,CP47:Chla₆₆₀^664.91、Chla₆₆₉^671.71、Chla₆₈₀^681.35、(Chla_a^e,a代表吸收峰;e代表发射峰);另外长波长组分694.86nm、702.34nm(CP43)、696.02nm(CP47)可能是由吸收>690nm的Chla分子所产生;CP43与CP47相比还存在有Chla₆₇₅^676.32,但是还没有看到CP43具有675nm吸收谱带的报道.对CP43和CP47的荧光光谱分析,认为CP47中的Chla669nm分子团和Chla680nm分子团间的能量传递比CP43中Chla669nm和Chla682nm分子团的能量传递更为有效;β-Car与Chla分子结合状态在CP47中要比CP43中紧密.     

CCD皮秒扫描成象对光系统发射光谱研究

采用82MHz、514.5nm的Ar⁺激励光源,通过我们所建立的CCD皮秒扫描成象发射光谱装置分别对PSⅡ颗粒,内周天线CP43、CP47,外周天线LHCⅡ四种样品的发射光谱进行扫描成象,直接、快速地获得了它们的发射光谱曲线.通过分析认为,PSⅡ的发射荧光很大程度上是由内周天线CP47中的叶绿素a所发出的.     

CCD皮秒扫描成象对光系统发射光谱研究

采用 8 2 MHz、51 4.5nm的 Ar 激励光源 ,通过我们所建立的 CCD皮秒扫描成象发射光谱装置分别对 PS 颗粒 ,内周天线 CP43、CP47,外周天线 LHC 四种样品的发射光谱进行扫描成象 ,直接、快速地获得了它们的发射光谱曲线 .通过分析认为 ,PS 的发射荧光很大程度上是由内周天线 CP47中的叶绿素 a所发出的     

光系统Ⅱ核心天线CP47热稳定性的荧光动力学

采用激励光源为4MHz、514.5nm的分幅扫描单光子计数荧光装置对从菠菜中分离提纯的核心天线CP47的热稳定性进行研究,得到经20℃、42℃和48℃处理后的动力学三维荧光谱.它们在最大峰值处的时间常量及其chla分子发射荧光的效率分别为:20℃:2.849ns(43.60%),4.024ns(35.37%);42℃:2.107ns(51.11%),3.657ns(37.59%);48℃:3.801ns(36.69%),4.0149ns(34.68%).因此,在CP47中存在有2组处于不同聚合状态的chla分子,3个处理温度中较短的时间组分属于2组中处于同一种聚合状态色素分子之间chla→chla→chla基态的能量传递时间,较长的时间组分属于2组处于不同聚合状态色素分子之间chla→chla→chla基态的能量传递时间.CP47中,20℃～42℃之间的温度对蛋白质空间结构的影响较小,与蛋白质结合的2种结合状态的chla分子之间的空间位置改变也较少.而42℃～48℃之间的温度引起较大的蛋白质空间结构和与蛋白质结合的2种结合状态的chla分子之间的空间位置改变.     

温度对CP43内色素分子间能量传递的影响

对CP43进行不同温度处理5分钟，采用锁模Ar^ 激光器输出的514.5nm的皮秒光脉冲作为激励光，通过探测CP43的荧光光谱特性，来研究色素分子间的能量传递。分析表明，20℃处理后，CP43内Chla671向Chla679和Chla682同时传递能量，并且Chla679也向Chla682传递能量，Chla682获得的能量是Chla679获得能量的1.5倍。42℃处理后，Chla671向Chla679和Chla679向Chla682的能量传递加速，最终能量几乎全部由Chla682接收。48℃处理后，Chla679向Chla682的能量传递减慢，甚至断裂，Chla671将能量分别传递给Chla679和Chla682，但是Chla682接收到的能量略多于Chla679色素分子。60℃处理后，造成了Chla671向Chla679能量传递截止，Chla671向Chla682的能量传递发生了部分截止，因此Chla671的能量部分传递Chla682。不同温度处理后的荧光强度变化表明，Chla671接收到的能量受到蛋白空间构象的影响，在48℃处理后，接收到的能量是最多的，60℃处理后，接收到的能量最少。     

光系统ⅡChl分子能量传递超快光谱动力学

利用ICCD飞秒扫描成象和飞秒时间分辨光谱装置实验研究了高等植物捕光天线LHCⅡ三聚体和PSⅡ颗粒复合物的超快光谱动力学,经过吸收光谱和发射光谱分析,确定在LHCⅡ三聚体中至少存在7种Chl分子光谱特性,分别是Chlb658.7653/656、Chla665.2662.0、Chla/b671.1670/671、Chla677.1675.0、Chla682.9680/681、Chla689.1685.0和Chla695.6695.0.采用光强1013光子/cm2/脉冲激励浓度为30μg/mL的捕光天线LHCⅡ三聚体,在650nm到705nm谱段逐点探测分析处理,产生了2组短寿命组分210fs、520fs和5.2ps、36.7ps及2个长寿命组分1.8ns、2ns.最快的3个寿命210fs、520fs和5.2ps反映了三聚体Chlb分子向Chla分子的激发能传递过程;寿命36.7ps反映了Chla分子向相邻单体Chla分子的激发能传递过程;最长的2个寿命1.8ns和2ns是在三聚体中Chla分子通过中间体Chla分子辐射荧光,分别跃迁回基态的过程.获得的6个寿命组分有把激发能传递时间与Chla/b分子发射光谱相结合的特点.经拟合处理解析PSⅡ颗粒复合物光谱,得到3个组分谱,其峰值分别为686.8nm、692.2nm和694.9nm,与LHCⅡ比较分析,说明天然构型的PSⅡ有很强的吸收光能和有效传递光能的本领.     

温度对PSⅡCP4 7/D1/D2/Cytb559复合物荧光光谱特性的影响

采用激励光源为514.5 nm的分幅扫描单光子计数荧光光谱装置对经20℃、42℃和48℃不同温度处理后的反应中心复合物CP47/D₁/D₂/Cyt b559的荧光光谱特性进行了研究.经解析,获得不同温度处理后,CP47/D₁/D₂/Cyt b559复合物最大峰值未发生变化,均在682 nm,说明Chla670的能量都由Chla682接收,但损耗愈来愈小,在48℃时,损耗程度最小,而其荧光百分比未发生多大变化.振动副带～700 nm和～740 nm的中心波长都发生蓝移,在不同温度下分别为:20℃ 703 nm,749 nm;42℃ 697 nm,744 nm;48℃ 694 nm,740 nm.因此可以推测温度的升高,影响了CP47/D₁/D₂/Cyt b559色素蛋白的二级结构以及色素分子的空间位置,使最大峰值处的荧光强度逐渐降低,振动副带逐渐蓝移.42℃的温度已造成影响,48℃影响较大.     

温度升高对PSⅡCP47/D1/D2/Cyt b559复合物能量传递的影响

采用分幅扫描单光子计数荧光光谱装置,研究温度升高对PSⅡ CP47/D₁/D₂/Cyt b559复合物能量传递的影响.获得分别在20℃、42℃和48℃处理后,CP47/D₁/D₂/Cyt b559复合物主发射峰所在的波长未发生多大改变,均在682 nm,但其荧光强度逐渐降低,而大约730 nm处主发射峰的振动副带发生了明显的变化,42℃其弱峰趋势已不显著,相对荧光强度下降,48℃弱峰趋势已完全消失;最大峰值处获得两个时间组分,这两个组分都属于电荷重组.其中,1～2 ns组分随处理温度的升高变化不大,而7～20 ns组分随温度升高变化较大,并且逐渐延长.因此,处理温度的升高使CP47/D₁/D₂/Cyt b559复合物的二级结构、色素分布的空间位置发生变化,从而影响了CP47/D₁/D₂/Cyt b559复合物中的能量传递以及电荷重组.42℃已对其造成影响,而48℃对其影响很大.     

PSⅡ颗粒复合物低温荧光光谱特性

为了获得低温下PSⅡ颗粒复合物色素分子间的能量传递信息,运用荧光激发谱及荧光发射谱对273 K温度时不同波长光激发下菠菜的PSⅡ颗粒复合物的荧光光谱特性进行了研究,分析得出荧光强度的大小与激发光的波长有关,在实验所采用的激发波长中,436 nm的光激发产生的荧光强度最大,520 nm的最小.在能量传递过程中Chl a分子的荧光效率最高,Chl b分子次之.结合吸收谱分析还发现在PSⅡ颗粒复合物中至少存在四种具特征吸收的Chl分子： Chl a661660, Chl a/b672669,670,Chl a682680,Chl a690687.对436 nm光激发所得到的荧光发射谱进一步经高斯解析后得到五个光谱组分：661 nm,672 nm,682 nm,690 nm,730 nm,所占的比例分别为4.75%,9.89%,43.18%,22.08%,20.10%.     

延时分幅扫描单光子计数荧光光谱技术

设计建立了一套延时分幅扫描单光子计数荧光光谱装置,以雪崩光电二极管SPCM-AQR-15为荧光探测器,T914P单光子计数模件为信号接收仪器,通过对T914P的触发信号加延时,在每个延时下对荧光信号进行分幅扫描,再将所有延时的分幅扫描信号叠加在一起,可以将快速的微弱信号很好地再现出来,时间分辨率提高了16.7倍,采用此技术对光合作用CP43色素蛋白复合物进行了研究,荧光光谱解叠可分辨出三个窄谱带:681nm、684nm、729nm,并分别在670nm,680nm和685nm荧光发射处,采用全局优化拟合法处理,获取了3个寿命组分:422_ps,582_ps,3.75_ns,其中422_ps反应了Chla671到Chla679和Chla682能量传递过程;582_ps代表Chla679到Chla682的能量传递;3.75_ns代表Chla682包括荧光在内的所有去激发速率之和.     

温度升高对PSⅡCP47/D1/D2/Cytb559复合物能量传递的影响

采用分幅扫描单光子计数荧光光谱装置,研究温度升高对PSⅡ CP47/D1/D2/Cyt b559复合物能量传递的影响.获得分别在20℃、42℃和48℃处理后,CP47/D1/D2/Cyt b559复合物主发射峰所在的波长未发生多大改变,均在682 nm,但其荧光强度逐渐降低,而大约730 nm处主发射峰的振动副带发生了明显的变化,42℃其弱峰趋势已不显著,相对荧光强度下降,48℃弱峰趋势已完全消失;最大峰值处获得两个时间组分,这两个组分都属于电荷重组.其中,1～2 ns组分随处理温度的升高变化不大,而7～20 ns组分随温度升高变化较大,并且逐渐延长.因此,处理温度的升高使CP47/D1/D2/Cyt b559复合物的二级结构、色素分布的空间位置发生变化,从而影响了CP47/D1/D2/Cyt b559复合物中的能量传递以及电荷重组.42℃已对其造成影响,而48℃对其影响很大.     

假根羽藻外周天线内能量传递的飞秒光谱研究

在时间相关单光子技术的基础上，对假根羽藻外周天线内叶绿素分子间的能量传递进行研究.采用瞬态吸收与荧光发射谱识别样品内的具有特征光谱组分的分子，得到在叶绿素分子的Q带区主要存在以下六个特征分子：Chlb630,Chlb642,Chla653652,Chla667664,Chla676,680675,Chla683682.630 nm的飞秒脉冲光的激发下，通过对不同特征发射峰出的荧光动力学进行解析得到： 1)Chlb628分子所吸收的能量仅有大约20%被直接传递给其他叶绿素分子,传能时间小于150 fs;2)叶绿素间大部分的能量传递发生在长于76 ps 时间范围内;3)传能时间常量在几百fs及10 ps左右的间接传能可能与具有不同光谱组分特征的叶绿素分子在外周天线内的排列方式以及偶极距的取向有关;4)Chlb654,657652,Chla666664,Chla677,680674和Chla683682以荧光形势耗散能量的时间常量分别为1.41 ns, 1.39 ns, 676 ps, 709 ps，这部分在整个能量耗散中占的比例不超过40%.     

从核心天线到反应中心分子传能研究

利用飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ核心复合物内β-Car分子和Chla分子传递光能到反应中心的时间特性.实验测得,在CP47中的β-Car分子用了150 ps,Chla分子用了15 ps;在CP43中β-Car分子用了160 ps,Chla分子用了20 ps.利用超快光谱动力学实验曲线,理论计算出在核心天线中β-Car分子到Chla 662之间的能量传递速率为1.18×10¹²s^-1,β-Car分子到相邻β-Car分子之间按速率 1.14×10¹²s^-1传递能量.理论研究得出,在核心天线中β-Car分子接收到光能,以Dexter电子交换机制和Frster共振传能机制进行激发能传递,最后由Chla分子把能量传递到反应中心,在CP47中用了139 ps,在CP43中用了152 ps.理论研究表明,在核心天线中,Chla分子接收到光能之后,以随机转移方式将能量迅速传递到反应中心P680,在CP47中用了16.8 ps,在CP43中用了18 ps.理论研究与实验研究基本符合.     

用时间分辨光谱研究红细胞悬液的荧光发射

实验获得了激光照射红细胞悬液的荧光光谱,并分别监测不同荧光峰值波长处强度随时间的衰变过程,测试了其相应的荧光寿命。结果表明,在波长为407nm的激光照射下,红细胞悬液向外发射中心波长分别位于596,628,692nm的荧光光谱,各荧光峰对应衰变过程的平均荧光寿命分别为1.97,13.31,14.58ns。利用荧光强度和吸收率的加和性表示了混合物的总吸收率和总荧光发射强度,通过理论计算获得了红细胞悬液中锌卟啉、原卟啉和其他游离物参与荧光发射的相对含量和相对强度在不同荧光峰位的变化关系,进一步解释了不同峰位处荧光发射强度和平均荧光寿命的变化原因。     

光系统Ⅱ捕光复合物中能量传递动力学研究

采用时间分辩荧光光谱技术研究捕光色素复合体(LHCⅡ)荧光的时间光谱特性.以脉宽为120fs、重复率为82MHz、波长为360nm～420nm激光激发LHCⅡ样品荧光.原始信号经过数据处理,多指数拟合,解得了能量在LHCⅡ中传递的时间常量分别为320±10fs、4.0±0.1ps、20.0±0.1ps.相对应的各组分荧光占总荧光的百分比分别为3.4%、50%、46.6%.经过全局分析,解得荧光强度随波长变化曲线,其三个峰值波长分别为652nm、673nm、692nm(以去离子水为悬浮液)和658nm、687nm、700nm(以酒精为悬浮液).根据LHCⅡ结构以及荧光的时间、光谱特性分析,认为320±10fs的时间组分属于一个单体内同一膜平面中Chlb→Chla的能量传递时间;4.0±0.1ps的时间组分属于同一单体中不同膜平面间Chlb→Chla和Chla→Chla的能量传递时间;20.0±0.1ps的时间组分属于不同单体之间、不同三聚体之间Chla→Chla的能量传递时间.     

PSII高效传能超快微观机理研究

在飞秒、皮秒时间分辨泵浦探测光谱学、荧光动力学、能量传递动力学研究基础上，确立了PSⅡ各功能单元激发能传递途径，由主外周天线LHCIIb吸收太阳能，通过次外周天线CP29，CP26，CP24，经内周天线CP43和CP47分别传递到反应中心D1－D2－Cytb559。利用四能带理论解析研究了PSII激发能传递机理和规律，利用四能级理论解析研究了天线复合物内部激发能传递过程。最后理论计算了PSII核心天线CP43及CP47中β－Car到Chla分子间激发能传递效率，分别为47．5％和66．5％。     

外周天线LHCⅡ的荧光光谱特性

外周天线LHC在光合作用过程中,担负着吸收和传递光能的作用.我们采用扫描成象荧光光谱技术对菠菜中外周天线LHC的荧光光谱特性进行了研究,在514.5nm的激光激励下获取了积分荧光谱,认为从类胡萝卜素分子到叶绿素分子间存在有能量传递.采用高斯组分光谱解析的方法,解析出LHC的荧光发射有七个谱带:656.7、664.6、671.5、677.2、683.5、689.6、695.3nm,各自所占的比例分别为3.0%、13.1%、13.3%、21.1%、13.2%、33.3%、3.0%,其中658.7nm的发射谱是由叶绿素b分子所发射的,其余的发射谱分别是由吸收峰为662、670/671、676、680nm以及吸收大于690nm的叶绿素a分子所发射.3.0%的叶绿素b分子的荧光发射说明在能量平衡过程中绝大部分能量被叶绿素a分子所禁锢,689.6nm处的荧光所占的比例最大,可能与LHC的一种自保护机制有关     

应用荧光探针研究菠菜叶绿体膜对低强度电磁场的辐射敏感性

应用ANS渗入菠菜叶绿体膜后的ANS荧光光谱和光合细胞Chla荧光参数的变化研究了菠菜叶绿体膜对辐射功率密度为5 mW·cm-2以下的300 MHz低强度电磁场的辐射敏感性。研究发现,在1～5 mW·cm-2的低强度电磁场作用下,菠菜叶绿体ANS荧光光谱的位置没有明显变化,但ANS荧光强度明显增大,表明低强度电磁场使菠菜叶绿体膜流动性变小。1～5 mW·cm-2低强度电磁场的作用还使菠菜叶绿体发出的Chla荧光参数F₀减小,f_V／F₀,F_V／F_m和ΔF_V／T增大,F_VI／F_V减小,表明低强度电磁场使菠菜叶绿体膜发生了光系统Ⅱ(PSⅡ)无活性中心向有活性中心的转变,PSⅡ潜在活性提高、光合电子传递过程加快,原初光能转换效率增强。菠菜叶绿体膜ANS荧光和Chla荧光对低强度电磁场的这种辐射敏感性说明了低强度电磁场能对菠菜光合作用系统产生非热效应,并且,菠菜光合细胞有可能通过PSⅡ活性中心异质性的转变来适应电磁辐射增强的环境。