Dynamics of bright and dark states in primary process of photosynthesis investigated by multi ultrafast spectroscopy

多重超快光谱研究光合作用初级过程明暗态动态

• 批准号: 21K03425
• 负责人: 吉澤 雅幸
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03425/
• 关键词: 超高速分光; 明・暗準位; 光合成初期過程; 時間分解発光分光; ２光子励起; 時間分解発光分光、; カーボンナノチューブ; 超高速分光; 明・暗準位; 光合成初期過程; 時間分解発光分光; ２光子励起; 時間分解発光分光、; カーボンナノチューブ

光合成初期過程の光捕集作用では光エネルギーを吸収できる明準位だけでなく暗準位もエネルギー移動の過程で大きな役割を果たしている。しかし、広く用いられている超高速吸収分光法だけではこれらを区別して観測することは困難である。本研究の主な目的は、マルチ超高速分光法を開発し明準位と暗準位を明確に区別して観測することで光捕集作用のエネルギー移動を解明することである。これによりエネルギー移動を高効率化する指針を得ることができる。さらに、同じように明準位と暗準位をもつカーボンナノチューブの励起子系などへの応用も行う。本研究では、明準位と暗準位を独立して励起および観測する。このためには最適化された励起光と複数の観測方法が必要である。令和４年度は令和３年度に開発した発光分光法の応用と今度の測定に用いる励起光の開発を行った。開発した和周波発生法（Up Conversion法）による発光分光装置を用いて測定を行った。資料としては、光合成系で高効率のエネルギー移動が期待されている光アンテナ分子であるフコキサンチンを用いた。励起光波長490 nm、発光観測波長 550～1050 nmの測定を行い、高効率のドナー準位として期待される明準位の分子内電荷状態（ICT状態）の観測に成功した。これにより暗準位であるS1状態との平衡状態がどのように生成されるかが明らかにされた。この成果は国内学会に発表済みであり、論文を作成中である。過渡吸収分光を用いた研究としては、明準位と暗準位を別々に光励起してその後の緩和過程を調べる。暗準位を２光子励起するためには強い近赤外励起光が必要であり、現有の光パラメトリック増幅装置（NOPA）を改良して1000～1500 nmの超短パルス励起光を発生した。現段階では強度と安定性の問題で十分な信号は得られていないが、後述するレーザー装置の更新後に本格的な測定を行う予定である。

在最初的光合作用过程中的光收集动作中，不仅可以吸收光能的光水平，而且在能量传递过程中，黑暗层次起着重要作用。但是，仅使用广泛使用的超高速度吸收光谱法就很难区分它们。这项研究的主要目的是开发多高速度光谱，并清楚区分光和黑暗水平，从而阐明光收集作用的能量传递。这允许提高能源传递效率的指南。此外，在激子系统上还将碳纳米管具有相同的碳纳米管应用。在这项研究中，光和黑暗水平是独立的激发和观察。这需要优化的激发光和多种观察方法。在2022年，我们应用了2021年开发的发射光谱，并开发了用于下一个测量的激发光。使用开发的总和生成方法（向上转换方法）进行测量。作为参考，使用了一种使用光合系统中高效的能量转移的光天线分子岩存在。通过激发光波长为490 nm，发射观测波长为550-1050 nm，并成功地观察到明显水平的分子内电荷状态（ICT）（ICT状态）的观察，并成功地观察到了明确的供体水平。这揭示了如何产生具有黑暗级别S1状态的平衡状态。该结果已在日本学术会议上发表，目前正在撰写论文。作为一项使用瞬态吸收光谱法的研究，将光线和黑暗水平分别进行光激发，以检查随后的放松过程。需要强烈的近红外激发灯以通过两光子驱使黑暗水平驱逐黑暗水平，并且当前的光学参数放大器（NOPA）被改善以产生超短脉冲激发光为1000-1500 nm。在此阶段，由于强度和稳定性问题，尚未获得足够的信号，但是更新激光设备后将进行全尺度测量，这将在后面进行描述。