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%.     

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.     

PSⅡ颗粒复合物飞秒分辨低温荧光动力学研究

采用飞秒时间分辨荧光光谱学对PSⅡ颗粒复合物在83 K,160 K,273 K下进行研究,实验表明随温度升高,光谱加宽.并且发现在PSⅡ颗粒复合物中至少存在以下几种特征Chl分子：Chl b640639,Chl b645640,Chl a663660,Chl a668667,Chl a676673,Chl a681680,Chl a682680/681,Chl a688/689684,685,Chl a698688.在不同的温度下,参与能量传递的色素分子传能途径各不相同,但都有一个共同点：在到达反应中心之前能量传递高效进行,绝大多数能量传递到了反应中心,而在680 nm之后的波段,能量损耗明显增大,这是由于电子传能受阻,能量绝大多数以荧光形式耗散.对荧光衰减曲线进行时间拟合,得到四组时间常数：30～40 ps,260 ps,550～670 ps,1～8 ns.几个ns的长寿命组分,反映了两个能量传递过程,即与基对态P680＋pheo－,以及能量传递过程中Chl a分子由激发态辐射荧光衰退到基态以辐射荧光形式丢失能量的过程有关.550～670 ps的时间组分,反映的是部分电荷重组的过程.260 ps的组分只在83 K出现,应归于LHCⅡ中的Car分子经中间传递体传能到Chl b 639分子后继续将能量传递到反应中心P680的时间.30～40 ps的时间组分为LHCⅡ中的Chl分子吸收光能后通过一系列中间体将能量传递到反应中心,Chl a680/681分子的能量传递过程.     

捕光复合物LHCⅡ的荧光动力学特性

采用时间分辨荧光光谱技术,在273 K下用波长为507 nm的光激发对菠菜光系统Ⅱ捕光天线LHCⅡ的光谱特性和时间特性作了研究.将获得的荧光光谱进行高斯解析,得到6个光谱组分,反映了光谱特性：Chl a６６２６６０／６６１、Chl a/b６７２６７０／６７１、Chl a６８３.5６８０／６８１和Chl a６９９.9６９５.0,而中心波长为738.6nm、761.0 nm的光谱组分则可能对应着主发射峰的振动副带.通过对荧光衰减曲线进行三指数时间拟合,得到激发能在LHCⅡ中传递的时间常数：8.8 ps、500 ps、1.6 ns,并分析得出了时间常数与光谱组分的对应关系.     

超快微光分子光谱探测技术研究

按照超快极微弱分子吸收光谱学,荧光光谱学,时间分辨光谱学以及偏振荧光光谱学探测特性,设计、集成组建了能够探测紫外－可见－红外快到飞秒时间分辨的单分子光学事件的激光瞬态光谱仪.其光源有从300 nm到3000 nm连续可调的飞秒激光器、纳秒氢灯及连续氙灯.光谱分辨率达0.05 nm,在泵浦探测差异吸收下有小于150 fs的时间分辨率.谱仪能够实时给出光谱曲线及生物分子组分寿命.利用该谱仪探测了PSⅡCC,PSⅡRC的能量传递动力学.在83 K温度下PSⅡCC中的β-Car分子接收507 nm光能,以单步跃迁和随机转移的方式通过Chl a641.5637/638分子传递光能到反应中心Chl a683.2680/681,平均传能时间为77 ps,有59.94％的组分用355 ps时间电荷重组.在PSⅡRC中的β-Car分子接收507 nm光能,由Chl a641.5637/638分子传递光能通过Chl a678.2675.5到反应中心,平均传能时间为88.5 ps.在83 K温度下,反应中心复合物离子对;P680+·pheo-］平均再复合寿命为19.35 ns.     

PSⅡ颗粒二聚体中类胡萝卜素向反应中心传能研究

运用瞬态荧光光谱技术在77 K低温下对PSⅡ颗粒复合物中类胡萝卜素（Car）分子的能量传递过程进行研究, 通过不同激发波长473 nm, 481 nm, 507 nm选择性激发PSⅡ颗粒复合物中色素分子, 得到PSⅡ颗粒二聚体中关于Car能量传递的三组时间组分：16.6 ps, 130~183 ps, 217~249 ps. 其中16.6 ps反映了LHCⅡ中的Car分子将能量通过中间体Cars、Chls分子传递到Chl639的过程; 130~183 ps为核心天线中的β-Car分子向RC的能量传递时间; 217~249 ps为LHCⅡ中Car481通过中间Chla分子向RC的传能时间.     

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.     

LHCⅡ三聚体中叶绿素分子间能量传递的瞬态差异吸收光谱分析

应用飞秒时间分辨差异吸收光谱技术对PSⅡ的LHCⅡ三聚体中的能量传递过程进行实验研究,分析得到三组能量传递的时间寿命组分：748 fs、3.28 ps、32.15 ps.其中748 fs的组分为单体内Chl b649分子经Chl b658将能量传递给Chl a665分子的过程；3.28 ps时间常量反映单体内能量从Chl a677向吸收更长波长的Chl a688分子的能量传递过程,以及Chl b643、Chl b658和Chl a668～670分子获得能量的过程；而32.15 ps的时间与三聚体内的单体间的能量传递过程有关.     

采用选择激发研究光系统Ⅱ反应中心β-Car的物理特性

光系统Ⅱ反应中心包含有2个去镁叶绿素分子(Pheo),2个β胡萝卜素分子(β-Car)和6个叶绿素a分子(Chla).对反应中心的时间分辨荧光光谱表明,两个β-Car具有不同的吸收光谱,吸收峰分别为489 nm(Car489)和507 nm(Car507),Car489靠近吸收峰为667 nm和675 nm的叶绿素a(Chl a),它的主要功能是保护反应中心免受单态氧的破坏,而不能将激发能传递给光化学反应活性的色素分子P680;Car507靠近吸收峰为669 nm的Chl a分子;能够将激发能传递给P680,进行电荷分离.采用全局优化拟合的方法对荧光光谱进行处理,Car489在61 ps时间内将能量传递给Chl a672, 随后传给Chl a677,处于激发态的Chl a677在3 ns衰减到基态;Car507在274 ps时间内将能量传递给P680,P680＋Pheo-的电荷重组发生在3.8 ns和16 ns.     

捕光天线色素分子到反应中心光能传递机理研究

利用皮秒和飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ捕光天线β-car分子和Chla分子传递光能到反应中心的机理，β-car分子接收到514.5nm光能之后，将能量主要以Dexter电子交换机理传递给相邻ε-car分子或Chla分子以后，再以Forster共振传能机理通过Chla分子向相邻Chal分子单步传递，最终以250ps的时间传递到反应中心，理论计算值为267ps。捕光天线中的Chla分子接收到光能后，以随机转移激子跃迁方式用了25ps时间将光能传递到反应中心，理论计算值为29.7ps。实验还得到了捕光天线LHCⅡ三聚体中Chal分子接收-400nm光能后，将能量为520fs的时间常数传递给相邻Chla分子，Chlb分子接收-400nm光能后，将能量以210fs的时间常数传递给相邻Chla分子，理论研究与实验结果基本符合。     

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     

高等植物外周捕光天线LHCⅡ中的超快光动力学过程

利用飞秒抽运探测技术及时间分辨荧光(TRPL)等光谱技术对高等植物LHCⅡ中的超快光动力学过程进行了研究。在其时间分辨荧光光谱中表现出了明显的各向异性特性。实验上观察了LHCⅡ中色素间的能量传递过程,由飞秒动力学发现,单体内Chlb到邻近的Chla之间的能量传递在200～300fs的时间尺度,Chla激子带间的能量弛豫发生在几百飞秒,不同单体Chla分子间能量分布过程在几个皮秒。而时间分辨荧光和飞秒动力学过程中上百皮秒的慢过程归属于不同聚集体间的能量平衡过程或分子构象变化。     

How does the β-ionone effect the spectra of chlorophyll and the excitation energy transfer in solution

This paper presents the excitation spectra and fluorescence spectra of mixed solution containing chlorophyll a(Chla), chlorophyll b(Chlb) and β-ionone of different concentration, investigates the spectral changes of Chla and Chlb caused by β-ionone through optimizing the frontier orbital of Chl-β-ionone compound, and calculates the energy transfer rate between Chla and Chlb by means of the fluorescence Gauss decomposition. The results show that the β-ionone interacts with Chl mainly via the connection between the magnesium atom in Chl molecule and the carbonyl in β-ionone molecule. The formation of Chl-β-ionone compound changes the charge distribution of Chl so greatly that it leads to the red-shift of the excitation spectra and blue-shift of the fluorescence spectra of Chls. Also in the compound the electronic energy located on carbon double bond of β-ionone can be transferred to Chl molecule by the Mg…O bond, which enhances the fluorescence intensity greatly. The calculation of the excitation energy transfer (EET) rate indicates that a small amount of β-ionone can promote the EET between Chla and Chlb.     

Research on the ultrafast fluorescence property of thylakoid membranes of the wild-type and mutant rice

A high yielding rice variety mutant (Oryza sativa L., Zhenhui 249) with low chlorophyll b (Chl b) has been discovered in natural fields. It has a quality character controlled by a pair of recessive genes (nuclear gene). The partial loss of Chl b in content affects the efficiency of light harvest in a light harvest complex (LHC), thus producing the difference of the exciting energy transfer and the efficiency of photochemistry conversion between the mutant and wild-type rice in photosynthetic unit. The efficiency of utilizing light energy is higher in the mutant than that in the wild-type rice relatively. For further discussion of the above-mentioned difference and learning about the mechanism of the increase in the photochemical efficiency of the mutant, the pico-second resolution fluorescence spectrum measurement with delay-frame-scanning single photon counting technique is adopted. Thylakoid membranes of the mutant and the wild-type rice are excited by an Ar^+ laser with a pulse width of 120 ps, repetition rate of 4 MHz and wavelength of 514 nm. Compared with the time and spectrum property of exciting fluorescence, conclusions of those ultrafast dynamic experiments are: 1) The speeds of the exciting energy transferred in photo-system I are faster than that in photo-system II in both samples. 2) The speeds of the exciting energy transfer of mutant sample are faster than those of the wild-type. This might be one of the major reasons why the efficiency of photosynthesis is higher in mutant than that in the wild-type rice.