藻类光合色素分子间的能量传递过程及其物理机制

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本研究报告利用体系-热库相互作用模型和色素-色素电偶极耦合理论比较系统地阐述了藻类捕光天线系统内激发能传递过程和物理机制;并利用皮秒级时间分辨荧光光谱技术对变藻蓝蛋白单体和三聚体内色素间的能量传递过程进行实时探测。其结论如下:   1.在C-藻蓝蛋白a亚基内,藻蓝胆素电子态内的振动驰豫过程主要来源于蛋白和溶剂与其电子态间的耦合作用。它是导致电子基态和激发态间光学跃迁退相过程|G,0>>←→|E,0>>的主要原因。这一退相过程将导致藻蓝胆素吸收光谱的展宽。藻蓝胆素与蛋白间的静电作用是诱发藻蓝胆素电子态产生溶剂化过程的动力,并且这一过程基本在激发后140fs左右完成;同时电子态的溶剂化过程使藻蓝胆素荧光发生Stokes位移。   2.在变藻蓝蛋白单体内,两个藻蓝胆素的电子态间耦合作用非常弱,所以,在变藻蓝蛋白单体内两个藻蓝胆素分子间不会出现相干传递过程。时间分辨各向异性荧光光谱技术的探测结果表明:该能量传递过程大约发生在80-90ps左右,与Forster理论所预测的结果基本一致,因此该能量传递过程很有可能遵从Forster偶极-偶极作用机制。   3.在变藻蓝蛋白三聚体内,由于毗邻单体上两个藻蓝胆素电子态间的电偶极相互作用能比其在各自独立情况下的光学跃迁宽度大,所以,体系被激发时,激发能将以离域的形式存在于两个藻蓝胆素的电子激发态上。在这种情况下,应采用Frenkel激子模型来描述能量在两个藻蓝胆素上的传递行为,即:激子在激子态间的驰豫过程|ψ-〉←→|ψ+〉将起主导作用;在热库处于热平衡状态下,驰豫速率常数将遵守Γ-→+/Γ+→-=exp(-△E+-/kT),如果条件△E+->>kT成立时,激子最终将布居在下激子态上,这一过程基本在30-500fs时域内完成。能量在三个毗邻单体色素对间的传递将主要是通过下激子态间来承担的,这一能量传递过程的机制可用激子随机行走模型来描述(excitonhopping),即:类Forster机制。所以,在变藻蓝蛋白三聚体内,藻蓝胆素分子间的能量传递机制是不能单纯地利用Forster或Frenkel激子来描述的,很可能二者是共存的。
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