【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在國家自然科學(xué)基金委、山東省自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的支持下，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室翁羽翔團(tuán)隊(duì)(SM6組)在光合捕光體系的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制方面取得了新的進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用自行研制的偏振控制二維電子態(tài)相干光譜儀，揭示了嗜熱藍(lán)藻捕光天線藻藍(lán)蛋白Phycocyanin 620 (PC620) 的共振傳能機(jī)制。該成果以題為“Incoherent Ultrafast Energy Transfer in Phycocyanin 620 from Thermosynechococcus vulcanus Revealed by Polarization-Controlled Two Dimensional Electronic Spectroscopy”，于2024年8月22日在The Journal of Chemical Physics 雜志發(fā)表。中國科學(xué)院物理研究所博士生王嘉鈺為第一作者，魯東大學(xué)蒲洋和物理研究所翁羽翔為通訊作者。原文鏈接： https://doi.org/10.1063/5.0222587。
 

　　光合作用是地球上最重要的能量轉(zhuǎn)換過程。捕光天線復(fù)合體負(fù)責(zé)光能吸收并將其傳遞至反應(yīng)中心，該過程的光量子效率幾乎接近100%。由于藻類在水下生存的光照條件較差，其光合機(jī)制一直受到廣泛關(guān)注。
 

　　PC620是藍(lán)藻中重要的捕光天線蛋白，單體內(nèi)包含三個(gè)藻藍(lán)膽素分子(α84，β84和β155)，形成三聚體后形成α84-β84色素對。PC620與別藻藍(lán)蛋白APC中的α84-β84色素對在結(jié)構(gòu)上極為相似，具有相同的分子間距以及理論預(yù)測的分子間耦合強(qiáng)度。翁羽翔團(tuán)隊(duì)近期利用二維電子態(tài)相干光譜方法證實(shí)了APC中的α84-β84色素對存在激子-振動(dòng)耦合相干，而且可以通過量子相位同步機(jī)制顯著延長相干態(tài)壽命。[Zhu et al., Nat. Commun. 15, 3171 (2024)]，然而以往的實(shí)驗(yàn)研究表明， PC620似乎不存在類似于APC中的量子相干態(tài)傳能路徑。
 

　　圖 1：PC620能量轉(zhuǎn)移模型. 左側(cè)為二維電子光譜實(shí)驗(yàn)中四個(gè)脈沖的偏振方向，右側(cè)為不同色素之間的能量轉(zhuǎn)移壽命。
 

　　二維電子態(tài)相干光譜具備高時(shí)間分辨率(~10fs)，可以直接探測體系內(nèi)的量子相干現(xiàn)象。由于PC620光譜展寬非常嚴(yán)重，難以直接分辨體系中的能量轉(zhuǎn)移過程。實(shí)驗(yàn)采用偏振控制二維光譜，有效消除了光譜擴(kuò)散的干擾。實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了α84向β84，β155向β84和β155向α84的能量轉(zhuǎn)移壽命分別約400fs，6~8 ps和66ps，符合共振傳能機(jī)制，證實(shí)PC620的能量轉(zhuǎn)移是非相干過程。通過分析動(dòng)力學(xué)上的振蕩信號，可以確認(rèn)體系中所有的振動(dòng)模都起源于分子內(nèi)的純振動(dòng)相干。并通過監(jiān)測PC620激發(fā)態(tài)溶劑化過程中的能量弛豫，發(fā)現(xiàn)所有的色素分子振動(dòng)模都參與能量耗散。而在APC中已經(jīng)確認(rèn)，參與激子-振動(dòng)耦合量子相位同步的的振動(dòng)模不參與激發(fā)能耗散。對比兩者的色素結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)PC620中的α84相比于APC的α84，其吡咯環(huán)間的二面角更大。由此可見PC620中α84的扭曲構(gòu)象傾向于形成局域電子態(tài)，APC中α84的平面構(gòu)象傾向于形成離域電子態(tài)。色素對的構(gòu)象差異(圖2)導(dǎo)致其在PC620中無法形成激子對。APC中α84-β84色素對相干態(tài)的弛豫時(shí)間約500飛秒，PC620中α84-β84激發(fā)態(tài)振動(dòng)波包的弛豫時(shí)間約為200飛秒，進(jìn)一步說明APC中量子激子-振動(dòng)耦合相位同步對量子相干態(tài)的保護(hù)作用。從而為APC中觀測到的激子-振動(dòng)耦合量子相位同步提供了一個(gè)的絕佳反例。
 

　　圖 2：(a) 左圖，PC620 (APC) 中α84(紅色)和β84(藍(lán)色)藻藍(lán)膽素的晶體結(jié)構(gòu)，PDB ID 1I7Y (1ALL)，右圖：α84和β84四吡咯環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖和相鄰吡咯環(huán)之間的二面角。(b) PC620 和APC的相干態(tài)壽命。