超快激光光谱技术光合作用

　　长三角G60  激光联盟导读
　　太阳照射地球1小时的太阳能约合全世界( 1年 )的总能耗，与此同时，我们的全球二氧化碳排放量正在增加。利用先进的材料和超快速激光光谱技术，将其转化为人工光合材料是一个热门的研究领域。
　　据悉，隆德大学用光合作用动力学图像来展示如何控制气体排放  。光合作用是一个复杂的过程，涉及多个光复合体和反应中心，但由于温室气体和气候变化，对其细节的理解变得更加迫切。
　　图示:监测光合作用-隆德实验装置的一部分
　　隆德大学现在已经使用超快激光光谱学和一个光学腔来分析和影响光合作用的动力学研究。研究表明了整个过程是如何被调节，以及设计人工光合装置的途径。
　　据《自然通讯》报道，该项目采用飞秒泵浦探测光谱法来研究一种光合蛋白质，即＂捕光2＂复合体或LH2，已知在紫色光合细菌中构成捕光天线。
　　上图示：微腔结构和LH2性质
　　上 图a :半透明的Fabry-Pérot腔结构，其中两个Au反射镜(厚度22 nm)夹在含有LH2(厚度300 nm)的PVA薄膜中;图  b :嗜酸Rhodoblastus ophilus菌株10050的LH2复合物的结构，垂直于膜平面的视图(上)和复合物的侧视图(下)，其中紧密排列的B850环为蓝色，松散排列的B800环为淡紫色，类胡萝卜素链为棕色，α-载脂蛋白链为青色，β-载脂蛋白链为绿色;图c: 玻璃衬底上LH2裸膜的稳态吸收，其中B800和B850吸收峰被很好地分解。
　　该团队建立在先前的研究基础上，利用光腔来调节光合作用和其他光物质相互作用中的复杂动力学。通过正确的反射镜和光学参数，就可以实现光合作用分子和腔体之间的强耦合，从而产生通常不参与该过程的新的光学极化状态。这些反过来又会影响光合作用的整体运作，并改变其他物理性质，如导电性。
　　上图示： LH2极化激元中的拉比分裂
　　角度分辨稳态吸收测量
　　为 了评估LH2腔内可能存在的强耦合，测量了角分辨反射光谱和透射光谱(见补充图2)，并提取相应的角分辨吸收光谱为A=1-T-R，如 上图a 所示。从该腔样品的色散曲线可以解析出3个极子分支:上极子分支(UP)、中极子分支(MP)和下极子分支(LP)。极化子分支的能量与耦合振荡器模型很好地拟合。B850波段和B800波段的Rabi劈裂能分别为61meV和47meV。拟合的极化子分支位置用黄色(UP)、蓝色(MP)和粉色(LP)虚线表示，光子模式和激子波长分别用灰色实线和黑色虚线表示。
　　色散曲线在B850带附近有明显的抗交叉行为，表明实现了强耦合。 图b 给出了在腔模和B850激子接近共振角(30°)处的腔吸收谱。在约860 nm处检测到明显的峰分裂，分离速度为65 meV。用2、18 ħΩR≥(γM + γC)/2评价强耦合，其中ħΩR为Rabi劈裂能，γM和γC分别为裸分子激子(γM)和腔模(γC)半最大线宽处的全宽。稳态吸收光谱测定B850波段的线宽为42 meV。从负失谐腔的透射光谱中得到了空腔的线宽，约为78 meV。确实，B850带的Rabi劈裂能(61meV)大于(γM_B850+γC)/2=60meV，证实了B850带与空腔是强耦合的。严格地说，系统处于强耦合的边缘。相比之下，在B800波段的峰值处，只发生了微弱的峰分裂，且发生了较轻微的反交叉。
　　B800波段的线宽同样由稳态吸收光谱确定为40meV。Rabi劈裂能(46meV)与(γM_B800+γC)/2=59meV的值比较表明，B800带处于弱或中等耦合状态。两次分裂的差异与两个激子带与腔的耦合强度直接相关，考虑到耦合强度与腔内分子浓度的平方根成正比，可以用LH2中参与B850环和B800环的BChla分子数量的不同来解释。 图c 显示了极化子分支的激子和光子混合系数。我们可以看到，MP和LP由B850波段和30°左右的腔光子几乎相同的贡献组成。同样，MP和LP的B800波段和光子在45°附近的比值几乎相同。
　　虽然这些效应背后的理论是众所周知的，但它们的实际证明是具有挑战性的。Lund项目是第一个使用瞬态吸收光谱来确认紫色细菌中LH2的极化子动力学的项目，使用的设置是两个平行的金镜创建了一个Fabry-Pérot腔，并将一层含有LH2s的聚乙烯醇薄膜夹在中间。
　　上图：LH2极化子动力学
　　裸LH2薄膜和30°角腔的泵浦探测动力学(散射标记)，泵浦激发在785 nm (8.5 uJ/脉冲/cm2)，探头在875 nm和830 nm(插图显示前10 ps的动力学信号)和相应的c能量弛豫路径。实线是基于速率动力学模型的拟合结果。
　　上 图a 给出了在875 nm处探测的动力学过程，在875 nm处，空腔样品的LP状态和裸B850带的红尾都在这里。在裸LH2薄膜的B850波段(灰色线)和强耦合系统的LP态(橙色线)均观察到基态漂白信号。我们注意到强耦合体系的寿命比裸LH2薄膜长得多。类似的行为在其他有机极化子系统中已经被报道过，并被激子储层理论解释。图c 显示了可能的能量弛豫路径，假设该路径被强耦合产生的极声子态和暗态(DS)所修饰。
　　使用基于速率的动力学模型对相应的动力学过程进行半量化，我们将基态吸光度的瞬态偏移可能产生的影响最小化，以简化拟合。裸体LH2薄膜和强耦合腔体样品在830 nm处的泵探针动力学如图b 所示。对于裸LH2薄膜，正信号对应于激发态吸收(ESA)。相比之下，强耦合系统由于MP区域附近的Rabi劈裂收缩而观察到一个负信号，这间接验证了极化子态的形成。图中显示在前几ps内动能信号上升，这代表了能量从激发态B800到MP态的传递过程。比较两种情况下的动力学，观察到在强耦合系统中衰减比在裸LH2膜中更快。我们将腔系统中更快的衰变归因于能量从MP到暗态的转移。如上所述，基于态密度的参数，这一转移步骤预期要比未耦合B850激发态的衰变快。
　　总之，首次证明了Fabry−Pérot金属光学腔与紫色细菌LH2的B850激子带之间的强耦合，Rabi劈裂为61 meV。泵浦探针光谱揭示了强耦合系统中与非耦合LH2膜中显著不同的激子动力学。当在830 nm探测时，在强耦合体系中检测到负信号，而非耦合LH2膜的正ESA信号则相反。观测结果可以用与极化子态形成一致的拉比收缩来解释。此外，强耦合体系的寿命比裸LH2薄膜长得多，证实了暗态对能量转移的重要作用。由于极化子态可以在空间和能量分离的激子种之间形成有效的能量弛豫途径，进一步探索LH2s和RC之间可能的腔介导的能量传递将是非常有意义的。
　　＂我们在两个相距仅几百纳米的镜子之间插入了所谓的光合天线复合体，作为一个光学微腔，也可以说，我们以一种囚禁的方式捕捉在镜子之间来回反射的光。＂隆德大学化学物理学教授Tönu Pullerits称道。
　　图示：两个镜子之间的五个天线复合体。镜子间的距离约为300纳米。
　　借助彼此相隔几百纳米镜子,科学家们已经成功地有效地利用光。这一发现可能有助于指导操控光合作用的第一步。从长远来看，这可能用于将二氧化碳转化为人工光和材料。
　　设计光合作用和人造材料
　　通过监测腔的色散行为，并将其与蛋白质中被激发的跃迁能量相关联，验证了实验中产生的强耦合机制。根据该项目的论文，由于LH2中极化子状态的产生，激子动力学发生了实质性的变化。
　　该项目表示，光和天线复合物之间存在强相互作用，可以产生涟漪效应，从而加快能量传递过程，开辟了调整整个光合作用链的不同阶段的前景，以实现预期最终结果。一旦确定了预期的能量动态，新的人工光合材料也可能出现。
　　Pullerits说：＂如果我们能使光合作用的第一步更快更有效，我们希望在未来使其他系统的光能转换更有效。＂＂我们已经迈出了漫长的过程中的几个初始步骤，可以说我们已经找到了一个非常有希望的方向。＂
　　飞秒泵探测光谱
　　超快泵探头测量分别在两个内部建立的单色探头和宽带探头检测装置上执行。宽带飞秒泵浦探测是基于一个至日(光谱物理)放大激光系统进行的，该系统以4 kHz重复率产生中心波长为796 nm的~60 fs脉冲。激光输出分为两部分，分别产生泵浦光和探测光。泵浦光脉冲(以785 nm, 100 fs为中心)由共线光参量放大器(TOPAS-C，光转换)产生。第二个TOPAS被用来产生1350 nm的脉冲，聚焦在CaF2晶体上产生宽带白光探针。单色飞秒泵探头测量使用了以下设置46。一个放大飞秒激光系统(Pharos，光转换)工作在1030 nm，以1 kHz的重复频率提供200 fs的脉冲泵浦两个非共线光学参数放大器(NOPAs, Orpheus-N，光转换)。
　　其中一种用于产生以785 nm为中心的泵浦脉冲，脉冲持续时间为100 fs。第二个NOPA分别在830 nm和870 nm处产生探针脉冲，用于差分透射测量。在这两种设置中，泵和探头脉冲几乎共线。探头相对于泵有一个机械延迟阶段的时间延迟。激光束和腔体是定向的，使它们彼此成30°角。在这个角度下，腔模与B850激子共振。探头脉冲的极化设置为TE模式。测量是在室温下进行的。为避免LH2膜中的杂散效应和激子-激子湮灭，采用低能量(8.5 μJ/cm2/脉冲)泵浦脉冲记录信号。
　　样品制备方法
　　LH2光合物从先前报道的嗜酸Rhodoblastus acidophilus10050中分离出来，分散在TL缓冲液中(0.1% LDAO, 20 mM Tris。HCl pH 8.0)，并在−80°C作为原液存储。光学腔建立在玻璃基板(15 × 15 mm2)上，分别在碱性溶液(0.5% Hellmanex在去离子水中，15min)、去离子水(15min)、丙酮(15min)和异丙醇(15min)中连续超声清洗，然后氧等离子体处理1min。随后，采用真空溅射沉积(AJA Orion 5)的方法在玻璃衬底上沉积了厚度为22 nm的半透明金镜面。
　　将PVA以70 mg/ml的浓度溶解在上述Tris缓冲液中，制备活性聚合物层。然后用旋涡混合器将LH2原液与PVA水溶液按体积比5:3混合，通过PVDF过滤器(孔径0.45 mm)。在混合溶液中加入氧清除剂以防止LH2的光氧化。混合溶液以1500转/分1分钟的速度旋涂(Laurell Technologies WS-650)到Au镜面镀膜玻璃基板上。然后，通过真空溅射沉积在聚合物层的顶部沉积了第二个22 nm的金反射镜。制备的腔体在- 20°C的黑暗真空下保存，以避免样品的任何氧化和任何老化。为了进行比较，使用相同的混合溶液和参数在没有Au反射镜的清洁玻璃基板上旋转镀膜，制备了裸LH2薄膜参考样品。
　　稳态光谱
　　用标准分光光度计(λ 950, Perkin Elmer)和附件测量所有稳态光谱。用可变角度附件记录了角度分辨透射光谱。利用普适反射附件获得角度分辨反射光谱。
　　文章来源：
　　https://optics.org/news/13/11/48
　　https://www.nature.com/articles/s41467-022-34613-x
　　长三角G60激光联盟陈长军转载