（光学专业论文）飞秒激光引发psⅡ色素分子间的传能动力学.pdf

摘蔓 摘要 光合作用机理的研究是世界各国关注的热点，我国也将该项研究列入“9 7 3 ” 国家重点基础研究发展规划项目。该课题有着明确的国家目标持续性发展农 业。阐明光合作用的机理，可以为提高光能利用效率，增加单位面积作物产量， 以致模拟光合作用来人工合成食物等提供重要的理论依据。 本文利用瞬态稳态荧光光谱技术和时间分辨差异吸收光谱技术对光合作用 光系统i i 中色素分子间的传能动力学作了较深入的研究，主要内容包括： 1 全面论述了光合作用吸能、传能的分子机理和激发能在色素分子间传递的 三种机制，总结概括了前人对p si i 及其各功能单元的结构组成以及其中 的能量传递过程的研究成果。 2 阐述了测量瞬态稳态荧光光谱技术和时间分辨差异吸收光谱技术的原 理，并对实验数据的处理方法作了分析。根据这些方法利用m a t l a b 编写 了数据处理软件。 3 成功地集成组建了具有极佳性能特色的飞秒分辨瞬态稳态荧光光谱仪。 该装置具有超宽调谐的光源能输出3 0 0 n m 至3 ui n 的超宽调谐光脉 冲、很高的光谱分辨率可达0 5 h 以及可高达2 6 p s 的时间分辨率。配 备的偏振装置和液氮低温控制器为实验操作带来更大的空间。这些都是该 装置的独特之处。 4 创新性地研制、集成组建了飞秒分辨差异吸收光谱仪，其时间分辨率可达 l o o f s 左右。该装置泵浦光为超宽调谐的光脉冲，探测光为白光，用于研 究样品就可以获得很丰富的信息。 5 采用飞秒分辨瞬态稳态荧光光谱仪在低温8 3 k 下分别以波长4 3 6 r u n 和 5 0 7 n m 的连续光激发，对l h c i i 的荧光光谱特性进行了研究。 6 采用- | s 秒分辨瞬态稳态荧光光谱装嚣在2 7 3 k 下用波长为5 0 7 n m 的光激 发，对捕光天线l h ci 【的荧光光谱特性和时间特性作了研究，得到6 个 光谱解析组分和3 个传能时间常数，并对它们做出归属。另外，还利用激 匕秒激光。j i 发p s i i 色索分子问的传能动力学 子转移机制理论计算了l h c i i 相邻c h la 分子间的传能时间常数，理论计 算与实验结果相一致。 7 首次利用超宽调谐飞秒分辨荧光光谱装置在室温下以4 9 5 n m 波长的光激 发，对假根羽藻l h c i i 的同质三聚体和异质三聚体的光谱特性和传能特性 进行了研究比较。同质三聚体和异质三聚体分别获得四种和五种特征c h l 分子的光谱特性。对荧光衰减曲线拟合处理，得到同质三聚体c h l 分子传 能的寿命：1 6 5 8 5 f s 、2 2 0 6 p s 、5 1 o 1 n s ；异质三聚体c h l 分子 传能的寿命：2 5 5 6 3 f s 、4 o 8 p s 和3 8 0 i n s 。可以看出，同质三 聚体的传能速率较高，推断组成同质三聚体的同种脱辅基蛋白间的结合程 度较组成异质三聚体的不同脱辅基蛋白间的更紧密，更有利于能量的迅速 传递。 8 利用飞秒分辨瞬态稳态荧光光谱仪，在低温下研究了温度对反应中心r c 色素分子传能动力学的影响。将不同温度下得到的荧光光谱进行解析后比 较，认为在不同低温下，电荷分离前能量在反应中心r c 中的传递途径很 相近，传能经由的色素分子基本相同。组分谱带所占比例随温度升高发生 较大变化，分析可能是由于随着温度的升高，分子热振动加剧，激发能传 递给p 6 8 0 的速率随之加快所致，激发能传递时间常数随温度的变化也反 映出相同的结论。 9 采用飞秒分辨差异吸收光谱仪在室温下以6 4 8 n m 光泵浦，研究了激发能 在p si i 颗粒复合物c h l 分子| 白j 的传递，获得3 个寿命组分：1 0 2 f s 、3 2 p s 和1 8 n s ，并对这三个时间常数做出归属。 论文主要创新点： 1 研制集成组建了一流的具有超快光电探测触发器的飞秒分辨瞬态稳态荧 光光谱仪，其时问分辨率可达2 6 p s 。它配备的偏振和低温装置扩大了测量 范围，创造了很好的实验条件。 2 在国内首次建立泵浦光为超宽调谐的光脉冲，探测光为白光的飞秒分辨差 异吸收光谱仪，用于研究样品中色素分子的传能可以获得很丰富的信息。 硒蚤 3 采用选择激发荧光光谱技术，系统地研究了l h ci i 荧光动力学，补充和 积累了l h c i i 数据库的数据。 4 首次对假根羽藻l h ci i 的同质三聚体和异质三聚体的光谱特性和传能特性 进行了研究比较，并根据传能时间常数对两色素蛋白复合物的结构作了推 断。 5 在低温下研究了温度对反应中心r c 色素分子传能动力学的影响，并得到 低温下电荷分离前激发能的传递途径大致相同的结论，该结论还没有见过 文章报导。 关键词：光合作用光系统i i捕光天线核心天线反应中心 叶绿索分子类胡萝h 素分子瞬态稳态荧光光谱时间分 辨差异吸收光谱传能动力学 飞杪激光引发p s l l 色素分子问的传能动力学 a b s t r a c t p e n gj u f a n g ( 0 p t i t ss p e c i a t y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gs h u i c a i s t u d yo n t h em e c h a n i s mo f p h o t o s y n t h e s i si sa l w a y s ac o m p e l l i n gr e s e a r c hf i e l d i nt h ew o r l d i nc h i n a ，i tw a sl i s t e di n t ot h es t a t e k e yb a s i c r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp l a n ( 9 7 3 ”) w i t h ad e f i n i t e g o a lt os e f v ef o r t h es u s t a i n a b l e a g r i c u l t u r e e l u c i d a t i o no ft h ep h o t o s y n t h e s i sm e c h a n i s mw i l lp r o v i d ei m p o r t a n tt h e o r ys u p p l yf o r e n h a n c i n ge f f i c i e n c yo fl i g h te n e r g yu t i l i z e ，i n c r e a s i n gc r o py i e l di na c r e a g eo f u n i t a n de v e ns i m u l a t i n gp h o t o s y n t h e s i st os y n t h e s i z ef o o d t r a n s i e n ts t a t ea n d s t e a d y s t a t ef l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p yt e c h n o l o g y , t i m e r e s o l v e dd i f f e r e n c ea b s o r p t i o ns p e c 打o s c o p yt e c h n o l o g yh a db e e nu s e dt os t u d y t h e e n e r g y t r a n s f e rk i n e t i c sb e t w e e n t h e p i g m e n t s o f p h o t o s y s t e m i i i n p h o t o s y n t h e s i s t h em a i nw o r k sw e l f ed e s c r i b e da st h e f o l l o w i n g ： 1m o l e c u l em e c h a n i s m so fe n e r g ya b s o r p t i o na n dt r a n s f e ri np h o t o s y n t h e s i sa n d t h r e em e c h a n i s m so fe x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e rw e r eu n i v e r s a l l yd i s s e r t a t e d t h e p r e v i o u sr e s u l t so f t h es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t so fp si ia n di t sf u n c t i o nu n i t s w e r es u m m a r i z e d 2m e a s u r e m e n tp r i n c i p l e so ft r a n s i e n ta n ds t e a d ys t a t ef l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y t e c h n o l o g ya n dt i m e r e s o l v e da b s o r p t i o nd i f f e r e n c es p e c t r o s c o p yt e c h n o l o g y w e r e e x p a t i a t e d a c c o r d i n gt o t h ec o m p a r er e s u l t sa m o n gs e v e r a lm e t h o d s0 1 0d a t a p r o c e s s i n g ，u s i n g m e t l a b p r o g r a m ，s o f t w a r e o f d a t a p r o c e s s i n gw a s , d e s i g n e d 3t h ef e m t o s e c o n dt i m e - r e s o l v e d t r a n s i e n ta n d s t e a d y s t a t ef l u o r e s c e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e rw i t hg r e a tp e r f o r m a n c e f e a t u r e sw a si n t e g r a t e da n de s t a b l i s h e d s u c c e s s f u l l y t h ee x c i t a t i o nl a s e rc a n b et u n e di ns u p e rw i d er a n g e ，f r o m3 0 0 h i 1 1 v a b s t r a c t t o3um t h et i m ea n d s p e c t r a lr e s o l u t i o n sa r ea b o u t3 0p sa n d0 5a i na d d i t i o n p o l a r i z e r a n d l i q u i dn i t r o g e n l o wt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra r e a p p e n d e d ，w h i c h e x t e n dt h er e s e a r c hf i e l d t h e s ea r et h es p e c i a l t i e so f t h ei n s t r u m e n t 4t h ef e m t o s e c o n dt i m e r e s o l v e d a b s o r p t i o n d i f f e r e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e rw a s e s t a b l i s h e di n n o v a t i v e l y , o fw h i c ht h et i m er e s o l u t i o ni sv e r yh i 曲t o10 0f so rs o i t sp u m pb e a mi s s u p e rw i d eh a r m o n i o u sl a s e rp u l s e ，a n dp r o b eb e a mi sw h i t e l i g h tp u l s e u s i n g t h ei n s t r u m e n tt o s t u d ys a m p l e ，w ec a n o b t a i nm o r e i n f o r r n a l i o n 5t h ef e m t o s e c o n dt i m e r e s o l v e dt r a n s i e n ta n d s t e a d y s t a t ef l u o r e s c e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e rw a s c a r r i e do u ta n da t8 3 k ，t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r a lp r o p e r t i e s o f l h ci ie x c i t a t e da t4 3 6a n d5 0 7n mw e r es t u d i e d ，r e s p e c t i v e l y 6 u s i n gt h e f e m t o s e c o n dt i m e - r e s o l v e dt r a n s i e n ta n d s t e a d ys t a t e f l u o r e s c e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e r , a t2 7 3 k ，f l u o r e s c e n c es p e c t r a lp r o p e r t i e sa n dt i m ep r o p e r t i e s o fl h ci ie x c i t a t e da t5 0 7 n mw a ss t u d i e da n ds i xs p e c t r a la n a l y t i c a lc o m p o n e n t s a n dt h r e e e n e r g y t r a n s f e rt i m e c o m p o n e n t s w e r eo b t a i n e da n da s c r i b e d f u r t h e r m o r e ，t h et h e o r yo fe x c i t o nt r a n s f o r mm e c h a n i s mw a su s e dt oc a l c u l a t e e n e r g yt r a n s f e rt i m ec o n s t a n tb e t w e e na 由a c e n tc h l o r o p h y l l s t h ec a l c u l a t i o ni si n a g r e e m e n t w i t h e x p e r i m e n t r e s u l t 7 s p e c t r a la n de n e r g yt r a n s f e rp r o p e r t i e so f h o m o t r i m e r a n dh e t e r o t r i m e ro fl h ci i f r o mb r y o p s i sc o r t i c u l a n sw e r ef i r s t l ys t u d i e da n dc o m p a r e db yt h es u p e r - w i d e h a r m o n i o u sf e m t o s e c o n dt i m e r e s o l v e df l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p y i n s t r u m e n t f o u ra n df i v es p e c t r a lp r o p e r t i e so fc h a r a c t e r i s t i cp i g m e n t sw e r eo b t a i n e df r o m h o m o t r i m e ra n d h e t e r o t r i m e r , r e s p e c t i v e l y e n e r g yt r a n s f e rl i f e t i m e so f 16 5 8 5 f s 2 2 o 6 p s ，a n d5 1 0 1 n so f c h lm o l e c u l e sf r o mh o m o t r i m e rw e r eo b t a i n e db y f i t t i n gf l u o r e s c e n c ed e c a y sc u r v e s l i f e t i m e so f2 5 5 + 6 3 f s ，4 - t - 0 8 p sa n d3 8 1 0 in sw e r eo b t a i n e df r o mh e t e m t r i m e r i tc a nb es e e nt h a tt h ee n e r g yt r a n s f e r s p e e d o fh o m o t r i m e rw a sf a s t e rt h a nt h a to fh o m o t r i m e r t h u si tc o u l db ed e d u c e d t h a tt h el i n kb e t w e e nt h es a m ea p o p r o t e i no fh o m o t r i m e ri sm o r ec o m p a c tt h a n v 飞秒激光引发p s i l 色素分子间的传能动力学 t h a tb e t w e e nt h ed i f f e r e n ta p o p r o t e i no fh e t e r o t r i m e r , a n dt h ef o r m e ri sm o r e p r o p i t i o u s t ot r a n s f e re n e r g yf a s t 8i n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r eo ne n e r g yt r a n s f e rk i n e t i c so f t h ep i g m e n tm o l e c u l e si n r e a c t i o nc e n t e rw a ss t u d i e da tl o w t e m p e r a t u r eu s i n g t h ef e m t o s e c o n d t i m e r e s o l v e dt r a n s i e n ta n ds t e a d ys t a t ef l u o r e s c e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e r a f t e r a n a l y z e d ，t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r aw e r ec o m p a r e d ，a n d i ts h o w e dt h a tt h ee n e r g y t r a n s f e rp a t h sa n dt h ep i g m e n tm o l e c u l ei n t e r m e d i a t e si nr e a c t i o nc e n t e rw e r e v e r y a n a l o g i c a lb e f o r ec h a r g es e p a r a t i o na tt h e s el o wt e m p e r a t u r e s t h ep r o p o r t i o n so f s p e c t r a lc o m p o n e n t sc h a n g e dm u c hw h e nt e m p e r a t u r e i n c r e a s e d t h er e a s o n p o s s i b l yi st h a tt h eh e a to s c i l l a t i o no f m o l e c u l e sb e c o m e ss t r o n g e ra n dt h es p e e d o fe x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e rt op 6 8 0g r o w sf a s t e ru n d e rt h ec i r c u m s t a n c e s t h e s a m ec o n c l u s i o nc o u l db ea l s od r a w n b yt h ec h a n g eo fe x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e r t i m ec o n s t a n t sw i t h t e m p e r a t u r e i n c r e a s e 9 p u m p e db y t h el a s e ra t6 4 8n l n ，e x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e rb e t w e e nc h l p i g m e n t s i np si i p a r t i c l e sw a s s t u d i e db yf e m t o s e c o n dt i m e r e s o l v e da b s o r p t i o nd i f f e r e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e ra n dt h r e et i m ec o m p o n e n t so f10 2 f s ，3 2 p s a n d1 8 n sw e r e o b t a i n e da n d g i v e na s c r i p t i o n t h ei n n o v a t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e 1t h e t o p r a n g e df e m t o s e c o n d t i m e - r e s o l v e dt r a n s i e n ta n ds t e a d ys t a t ef l u o r e s c e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e rw i t hs u p e r - f a s tp h o t o e l e c t r i c d e t e c t t r i g g e r w a sd e v e l o p e d ， i n t e g r a t e da n de s t a b l i s h e d ，o fw h i c ht h et i m er e s o l u t i o n i sh i 曲t o2 6p s t h e p o l a r i z e ra n dl o wt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra p p e n d e de x t e n dt h er e s e a r c hf i e l d ，a n d c r e a t eb e s tc o n d i t i o n sf o r e x p e r i m e n t s 2t h ef e m t o s e c o n dt i m e - r e s o l v e d a b s o r p t i o nd i f f e r e n ts p e c t r o p h o t o m e t e r w i t hs u p e r w i d eh a r m o n i o u sp u m pb e a ma n dw h i t e l i g h tp r o b ep u l s e w a se s t a b l i s h e df i r s t l ya t h o m e u s i n gt h ei n s t r u m e n t t os t u d ys a m p l e s ，w ec a no b t a i nm o r ei n f o r m a t i o n v 1 a b s t r a c t 3 a d o p t i n g t h es e l e c t i v ee x c i t a t i o n f l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p yt e c h n o l o g y , f l u o r e s c e n c ek i n e t i c so fl h c 1 1w e r es t u d i e d s y s t e m i c a l l y t h e r e s u l t sh a d c o m p l e m e n t e d a n da c c u m u l a t e dt h ed a t ao f l h c i id a t a b a s e 4f o rt h ef i r s tt i m et h es p e c t r a la n dt i m e p r o p e r t i e so f h o m o t r i m e ra n dh e t e r o t r i m e r o fl h ci if r o mb r y o p s i sc o r t i c u l a n s v e r es t u d i e da n dc o m p a r e d b a s e do nt h e e n e r g yt r a n s f e rl i f e t i m e s ，t h es t r u c t u r ei n f o r m a t i o no ft h et w op i g m e n t p r o t e i n c o m p l e x e sw a sd e d u c e d 5i n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r e0 ne n e r g yt r a n s f e rk i n e t i c so ft h ep i g m e n tm o l e c u l e si n r cw a ss t u d i e da tl o w t e m p e r a t u r e t h ee n e r g y t r a n s f e rp a t h sw e r e a p p r o x i m a t e l y s a m eb e f o r ec h a r g es e p a r a t i o na tl o wt e m p e r a t u r e i tw a st h ef i r s tt i m et h a tw a s r e p o r t e d k e y w o r d s ：p h o t o s y n t h e s i s ；p h o t o s y s t e mi i ；l i g h t h a r v e s t i n ga n t e n n a ；c o r ea n t e n n a ； r e a c t i o nc e n t e r ；c h l o r o p h y l lm o l e c u l e ；c a r o t e n em o l e c u l e ；t r a n s i e n ta n d s t e a d ys l a t ef l u o r e s c e n c es p e c t r u m ；t i m e - r e s o l v e dd i f f e r e n c ea b s o r p t i o n s p e c t r u m ；e n e r g y t r a n s f e rk i n e t i c s v “ 科研道德声明 y 6 8 3 1 4 1 秉承研究所严雌的学风j 优良的科。荆煎悠，小人，9 i t ! 交的沦文足我个人 在导师指导下进行的珂f 究j ：i t 及服褂的州究成果。论文巾所引川的容都l 二给r 了明确的注释和致谢。与我- 同i 作的i 司忠对木研究所做的任何贡献均已柏：沧文 中作了明确的说f p j 并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有4 ；实之处 论文作者签名：丛让ll 蝴：塑咝 ：丛 知识产权声明 本人完全了解巾科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定 即：研究生在所攻读学位o l f i 论文j 二作的知口铲：权单位系小科院西安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表綦于研究生工作的沧文或使川本沧文工作成果 时必须征得产权啦位的同意，同意后发表的学术沦文署名m 位仍然为巾利院诬安 光学精密机械研究所。产权单位有干义保留送交沦文的复l = i j 件，允许沦文被查阅羽 借阅；产权单位可以公布沦文的全部或i j l 5 分内容，i j 以采i 撮绷j 、缩印或其它复 制手段保存沧文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名：牡 日期：垫! 墨2 ：堡 导帅餐躬 i ij 9 j ： 第一章前言 第一章前言 光合作用过程涉及光能的吸收、传递和转化。能量的传递是指激发能沿外周 天线、核心天线到反应中心的跃迁过程，是在生物超分子体系内进行的复杂物理 过程，其机理的揭示具有重大的理论和实践意义。 1 1 光合作用简介 出于地球上的一切生命活动都直接或间接地依赖于光合作用，植物怎样把太 阳能转变为有用的化学能的确切过程就成为世界各国普遍关注的科学课题。 光合作用分为无氧光合作用和放氧光合作用两类。无氧光合作用比较原始， 主要由光合细菌进行，如绿色硫细菌、紫色非硫细菌等。这类生物种类较少，分 布有限，在现代地球上起作用较少。放氧光合作用就是指绿色植物利用太阳光能 将吸收来的二氧化碳和水转变成有机物并释放出氧气的过程，在这个过程中光能 就被转化为化学能储存在有机物内，其反应基本表达式为： n h v 6 c 0 2 + 6 h 2 0 + 1c 6 h i2 0 6 + 6 0 2 + a t p + n a d h 】 早期光合作用的研究已经表明，并不是光合作用中任何过程都需要光。根据 需光与否。光合作用大致可分为两大步骤：光反应，在此过程中光能被转化为化 学能，形成a t p 和n a d p h ：暗反应，在此过程中，利用a t p 和n a d p h 的化学 能使c 0 2 还原成糖。但从目前的研究进展来看，过去被认为是光反应的过程也不 都需要光，而暗反应过程中所需的一些酶的活性也受光照的调节。根据现代资料， 整个光合作用大致可分为下列3 大步骤：( 1 ) 原栅反应，包括光能的吸收、传递 和转换过程；( 2 ) 电子传递，氧的释放和光合磷酸化，即电能转变为活跃的化学 能过程；( 3 ) 碳同化，即活跃的化学能转变为稳定的化学能的过程。第一、二个 飞秒激光引发p si i 色素分子间的传能动力学 步骤基本属于前面提到的光反应过程，都是在光合膜上进行的，第三个步骤则属 于暗反应过程，是在叶绿体间质中进行的。 1 2 光合作用研究的意义 光合作用是各种生物呼吸代谢所需氧气的唯一来源。在现代地球上绝大多数 生物都属于好氧生物，没有氧气它们就无法进行生命活动。而且，由于绿色植物 能清除空气中过多的二氧化碳，补充比消耗掉更多的氧气，因此被认为是一个自 动的空气净化器。人类目前在处理污染、改善环境中，正在依靠绿色植物的这种 功能：尤其如果想将来能够在太空和海洋中生活，人们更希望从光合作用中得到 帮助。 光合作用产生的碳水化合物是地球上有机碳最重要的来源。据估计，地球上 的自养植物每年约同化2 1 0 “t 碳素，约占整个地球同化碳素的5 0 左右。光合 作用形成的有机物质，在数量上超过世界上其他物质生产的量，难怪人们把绿色 植物喻为庞大的合成有机物的绿色工厂。这些有机物质可直接或间接作为人类和 全部动物界的食物( 如粮、油、糖等和牧草饲料、鱼饵等) 。同时，人类不仅靠 光合作用作为食物，还用柬作能源( 如煤、石油、天然气等是古代光合产物，木 柴、秸秆等是现代光台产物) 、原料( 植物纤维索织布、造纸、木材等) 和药物 ( 植物代谢的次尘物质) 。 光合作用给我们人类最宝贵的启示是，它在地球上能够大规模、稳定和高效 地转换光能。无论是无氧光合作用还是放氧光合作用，在其光合系统最初吸收、 传递和转换光能时，都是效率极高的光物理、光化学过程，值得我们人工模拟。 另外，如果一旦把光合作用过程中水裂解机理搞清楚，人们就可以直接从水中生 产氢作为新能源。这将使人类完全摆脱目