假根羽藻外周天线三聚体超快荧光动力学研究

通过对稳态、瞬态吸收谱以及瞬态荧光发射谱的测量分析得出：在三聚体内存在以下六个特征叶绿素分子Chl b628、Chl b646、Chl b654,657652、Chl a666664、Chl a677,680674、Chl a683682(下标为吸收峰,上标为发射峰).在波长为655 nm、666 nm、680 nm、683 nm时分别采用时间相干单光子技术(TCSPC)记录其荧光动力学谱.根据荧光产生的物理学机制,对这些荧光动力学谱的分析采用的是分子同时接受能量与耗散能量的指数模型,得出在离体的外周天线三聚体内,Chl b654,657652、Chl a666664、Chl a677,680674和Chla683682分子在接受Chlb628分子的传能时,大部分经过了Chlb646分子,传能时间发生在97~157ps的时间间隔内,可见Chlb646分子在外周天线三聚体中是连接Chlb和Chla传能的主要分子;Chl b654,657652…→Chl a666664…→Chl a677,680674…→Chl a683682分子依次传能的时间在10 ps左右,这种传递过程可归结为是处于激发态分子首先经过内转换后再将能量以Frster共振机制的形式传给了其它分子;大量小于1 ps 的传能过程是叶绿素分子之间以激子共振的方式进行直接传能;Chl b654,657652、Chl a666664、Chl a677,680674和Chl a683682分子以时间常量分别为1.44 ns, 1.43 ns, 636 ps, 713 ps发射荧光回到基态.     

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%.     

外周天线色素分子间的能量传递

依据外周天线LHCII的吸收光谱和解叠谱,将LHCII中大量的色素分子分为4类色素分子团,建立了色素分子团的能量传递模型,并分别在436nm、480nm激励光下,对它的荧光光谱进行了研究,436nm和480nm激励下的荧光光谱相比要弱,可能是由于436nm激励下,受激的一部分色素分子的振动自由度比较大,产生了激发态到基态的无辐射内转换,使得能量传递几率降低.同时也说明,不同色素分子间的能量传递几率是不同的.     

83 K光系统Ⅱ核心复合物不同激发的荧光光谱学

在83 K低温下,利用稳态荧光光谱技术对光系统Ⅱ（PSⅡ）核心复合物中激发能的传递进行了研究,激励波长分别选择为436 nm,480 nm,495 nm和507 nm,得到4种波长激发下的稳态荧光光谱.经过比较发现其最大峰值所在的位置没有因激发波长的不同而发生改变,都在696 nm处,在不同激发波长下经过高斯解析获得不同的谱带.根据发射光谱与吸收光谱的对应性,反映了不同的光谱特性,说明在不同波长光的激发下,核心复合物中能量传递的途径不同.同时,可以分析出在核心复合物中,至少有Chl a670.4670,Chl a684.7,685.1683,Chl a689.0687,Chl a690.9,693.4,695.2,698.06904种Chl a组分参与了能量的传递.     

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.     

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.     

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。     

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.     

Single molecule spectroscopy on photosynthetic pigment-protein complexes

Single molecule spectroscopy was applied to unravel the energy transfer pathway in photosynthetic pigment-protein complexes. Detailed analysis of excitation and fluorescence emission spectra has been made for peripheral plant antenna LHC II and Photosystem I from cyanobacterium Synechococcus elongatus. Optical transitions of individual pigments were resolved under nonselective excitation of antenna chlorophylls. High-resolution fluorescence spectroscopy of individual plant antenna LHC II indicates that at low temperatures, the excitation energy is localized on the red-most Chl a pool absorbing at 680 nm. More than one pigment molecule is responsible for the fluorescence emission of the LHC II trimer. The spectral lines of single Chl a molecules absorbing at 675 nm are broadened because of the Foerster energy transfer towards the red-most pigments. Low-temperature spectroscopy on single PS I trimers indicates that two subgroups of pigments, which are present in the red antenna pool, differ by the strength of the coupling with the protein environment and by the efficiency of the triplet state quenching. Based on single molecule and hole burning data, we envisage the dimeric nature of the strongly phonon coupled red-most Chl state.     

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.     

Assembly of the Light-Harvesting Complexes During Plastid Development

The light-induced assembly of functional components of the thylakoid membrane has been followed during the biogenesis of the wheat plastid. The levels of light-harvesting complex (LHC) apoproteins in the 30- to 18-kDa region increase rapidly upon exposure to continuous light (CL). The newly synthesized LHC II apoproteins appear to be present predominantly in the monomeric forms. Upon further greening the LHC II apoproteins are increasingly located in LHC II oligomeric forms. At the same time, during the first times of greening, the bands in the 20.5- to 19- and 17.5- to 15.5-kDa regions related to early light-induced proteins (ELIP) have been observed. Low-temperature fluorescence spectra (77 K) of chloroplasts isolated from intermittent light (IML)-grown leaves display a main emission band at 687 nm and a small one at 727 nm. As greening proceeds, the 727-nm peak gradually shifts to longer wavelengths and increases in intensity relative to the 687-nm emission peak. By 6 h, in seedlings transferred to CL, the fluorescence spectrum is characterized with bands at 687, 696, and 740 nm (main). The increase in fluorescence intensity at 740 nm takes place due to restoration of the energy transfer to the Chl a form at 710–712 nm from LHC I synthesized during CL.     

稀土水杨酸配合物的光谱性质

合成了一系列稀土水杨酸配合物.分别研究了配合物的红外光谱(IR)，紫外(UV)及荧光光谱(FS)性质.红外光谱研究表明,稀土和水杨酸主要通过羧基进行配位，而紫外光谱显示配合物中水杨酸和稀土离子之间的能量传递是主要过程;配合物的荧光性质研究发现水杨酸钆，水杨酸铽，水杨酸镝分子内能量传递效率高，具有很强的荧光性质.     

Spectroscopic Analysis of Folate Binding to Thymidylate Synthase Active Site

The fluorescence properties of folate binding to thymidylate synthase (TS) were analyzed. Two antifolates with different binding modes to the TS active site were the ligands. Intrinsic tryptophan fluorescence was used to evaluate the binding of both antifolates to the wild-type TS and a mutant Escherichia coli TS (K48Q) that is impaired in folate binding. During titration of wild-type TS with PDDF, tryptophan fluorescence was quenched at 330 nm, which was accompanied by an increase in emission at 379 nm, suggesting an energy transfer process from a tryptophan in the TS active site to the folate analogue. Energy transfer was not observed with the mutant TS, as expected. Tryptophan emission is a very useful tool to test for substrate-like inhibitors with biological activity.     

The Paths of Excitation Energy Deactivation in LH1 Reduced Mutant and Wild-Type Strains of Rhodobacter sphaeroides

The P3 mutant of Rhodobacter sphaeroides had an altered ratio of reaction center to core (LH1) and peripheral (LH2) antenna complexes compared to the wild-type strain. Intracytoplasmic membranes from these two strains were purified and then resuspended in buffer or immobilized in isotropic and stretched polymer film. The absorption, photoacoustic, and delayed luminescence spectra were measured. The ratios of infrared absorption and photoacoustic bands (located at about 880 nm for LH1 and at 850 and about 800 nm for LH2) as well as the half-width of these bands are different for the LH2 and LH1 mutants and wild-type strain. The whole yields of thermal deactivation of the two strains were comparable, but in the absorption region of LH2 it was slightly lower in the case of the mutant than for the wild-type strain. The delayed luminescence main maxima were observed at about 860 and 700 nm. The first one could be due to emission of bacteriochlorophyll a of LH2 complexes. The emission at about 700 nm is probably due to dihydromesochlorophyll, which is usually, to some extent, produced from bacteriochlorophyll a in bacterial complexes. The delayed luminescence emission is competing with excitation energy transfer to the reaction center. The intensity of the delayed luminescence of the mutant strain was higher than that of the wild-type strain when both samples were excited in a region of carotenoid absorption. The mutant contains less carotenoids than the wild-type strain. Carotenoids work as efficient antenna. When they at a lower concentration the excitation can be trapped more easily by some chlorophyll-like pigment isolated from the excitation energy chain. The dependences of delayed luminescence spectra on the light polarization and excitation wavelengths for the wild-type strain and for the mutant were different. The anisotropy of delayed luminescence showed that bacteriochlorophyll a molecules of different orientations were contributing to the mutant and the wild-type strain emission. All the results suggest that the excitation energy transfer from the antenna to the reaction center in the mutant and the wild-type strain is similar.     

一种实现显微荧光寿命图的测量方法

将脉宽120fs、重复率76MHz激光引入激光扫描显微镜的激发光路,利用其扫描系统对荧光标记样品激发扫描,将激发出的荧光从荧光探测光路引入备用的外部探测口;在探测口接一快速光电倍增管,将光电倍增管的信号送给时间相关单光子计数器,获得时间相关的荧光强度图;最后通过计算机处理获得荧光寿命图。应用此系统对青色荧光蛋白(CFP)、黄色荧光蛋白(YFP)荧光寿命进行了测量,并应用CFP、YFP实现荧光共振能量转移的测量。通过实验看出利用已有的激光扫描显微镜,配合较先进的寿命测量方法,可以很好地实现显微荧光寿命图的测量。     

两末端染料修饰PNIPAM链的折叠动力学研究

本文通过原子转移自由基聚合方法合成了两种窄分布的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM). 用一种新型的含丹磺酰基(dansyl)的化合物作为引发剂,从而使PNIPAM一末端带有丹磺酰基荧光基团. PNIPAM的另一末端通过点击化学连接dabcyl基团. 稳态荧光实验发现当PNIPAM溶液温度从36 °C升至45 °C时,丹磺酰基荧光强度以及dansyl与dabcyl之间的能量转移效率随温度的升高而增加,说明升温过程中dansyl周围的微环境变得疏水,且dansyl与dabcyl之间的距离逐渐缩短. 利用自主搭建的激光诱导温度跃变结合荧光检测装置,研究了两末端修饰染料的PNIPAM的折叠动力学. 结果表明,对聚合度为85和142的PNIPAM而言,其dansyl荧光强度变化的特征时间分别为3.8 ms和5.8 ms,说明特征时间与链的长度相关. 此外,聚合度为85的PNIPAM的能量转移变化的特征时间为2.9 ms,说明能量转移的变化要快于dansyl的荧光强度变化.     

光系统Ⅱ核心天线的低温荧光光谱及动力学研究

采用稳态及飞秒荧光光谱技术研究了光系统Ⅱ中核心复合物在83 K、160 K和273 K低温下的能量传递途径.激发波长为507 nm.随着温度的升高,稳态荧光光谱逐渐发生蓝移.通过对不同温度下稳态光谱进行高斯解析,获得5个特征叶绿素a分子, 分别为Chl a670.4670, Chl a681.9680, Chl a683.9683, Chl a687.5,687.8,689687和Chl a698.0690,其中仅有Chl a687.5,687.8,689687在3个温度下的光谱中都解析获得,并且其谱宽以及荧光比例都随着温度升高而增加,因此推断温度对CP47中易裂解的叶绿素a分子有较大的影响.在680 nm以及690 nm波长处对不同温度下的时间曲线利用F900时间处理系统进行拟合,获得73 ps、 110 ps、 186 ps、 246~972 ps和1~3.7 ns 5个时间组分.其中, 73 ps是电荷分离的时间;110 ps和186 ps是β-Car分子受激发后,将激发能最终传递给反应中心所需要的时间;246~972 ps是电荷重组的时间过程;而1~3.7 ns是激发态分子发生电荷重组后又衰退回到基态的时间.73 ps的时间组分只在83 K温度下得到,因此,随着温度降低,可以探测到快的时间组分. 此外,对光谱随温度升高而发生蓝移进行了分析.     

单壁碳纳米管吸附联苯类有机物的荧光光谱分析

利用芳香族化合物对单壁碳纳米管进行了化学修饰,并利用荧光光谱以及时间分辨光谱对修饰后的单壁碳纳米管进行了表征分析.实验发现吸附对三联苯后有1个荧光峰位置发生了蓝移,这说明吸附过程使对三联苯的一些能级分布发生了变化.测量吸附前后对三联苯和蒽甲醇的荧光寿命,发现吸附后的荧光衰减曲线下降趋势更加明显,对曲线进行多指数拟合得出的荧光寿命及其数目发生了变化,分析了可能导致该现象的原因.     

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.     

侧链基团对聚合物薄膜瞬态发光性能的影响

采用飞秒激光光谱技术比较研究了两种卟啉侧链聚合物:卟啉丙烯酸酯-苯乙烯共聚物P[(por)A-S]和卟啉铁(Ⅲ)丙烯酸酯-苯乙烯共聚物P[(por)FeA-S]的瞬态发光性能。并采用纳秒激光光谱技术测量了小分子卟啉(TPP)的荧光动力学过程。结果表明:P[(por)FeA-S]具有比P[(por)A-S]快得多的荧光弛豫过程,而P[(por)A-S]的荧光寿命远小于小分子卟啉的荧光寿命。对上述过程进行了分析,P[(por)A-S]的荧光衰变主要来源于聚合物分子链间的相互作用;而P[(por)FeA-S]的荧光衰变除了来源于聚合物分子链间的相互作用外,中央金属离子与配位体之间的电荷转移也对卟啉发色基团的激发态超快无辐射弛豫具有重要的影响,对上述过程的产生机理进行了讨论。