БЕРКЛИ, Калифорния - Ученые смогли проследить поток энергии возбуждения во времени и пространстве в молекулярном комплексе, используя новый метод, называемый двумерной электронной спектроскопией. Несмотря на большие перспективы для широкого круга применений, этот метод уже использовался, чтобы сделать неожиданное открытие о процессе фотосинтеза. Этот метод был разработан группой исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли.
«Я думаю, что это окажется революционным методом изучения потока энергии в сложных системах, где несколько молекул сильно взаимодействуют», - сказал Грэм Флеминг, заместитель директора лаборатории Беркли и всемирно известный лидер в области спектроскопических исследований. процесс фотосинтеза. «Используя двумерную электронную спектроскопию, мы можем составить карту потока энергии возбуждения в пространстве с нанометровым пространственным разрешением и фемтосекундным временным разрешением».
Флеминг, также профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, является главным исследователем этого исследования и соавтором статьи, опубликованной в номере журнала Nature от 31 марта 2005 г. Спектроскопия электронных взаимодействий в фотосинтезе». Соавторами статьи с Флемингом были Тобиас Брикснер, Йенс Стенгер, Харша Васвани, Минхенг Чо и Роберт Бланкеншип..
Двумерная электронная спектроскопия включает в себя последовательное облучение образца светом от трех лазерных лучей, доставляемых импульсами длительностью всего 50 фемтосекунд (50 миллионных миллиардных долей секунды), в то время как четвертый луч используется как локальный генератор для усиления и согласования по фазе результирующих спектроскопических сигналов. Флеминг сравнивает эту технику с ранними супергетеродинными радиоприемниками, в которых входящий высокочастотный радиосигнал преобразовывался генератором в более низкую частоту для более контролируемого усиления и лучшего приема. В случае двумерной электронной спектроскопии ученые могут отслеживать передачу энергии между молекулами, которые связаны (связаны) через их электронные и колебательные состояния в любой фотоактивной системе, макромолекулярной сборке или наноструктуре..
«Этот метод также может быть полезен в исследованиях, направленных на повышение эффективности молекулярных солнечных элементов», - сказал Флеминг. В статье в Nature он и его коллеги описывают, как они успешно использовали двухмерную электронную спектроскопию для записи первого прямого измерения электронных взаимодействий в фотосинтетическом светособирающем белке Фенны-Мэттьюза-Олсона (FMO), молекулярном комплексе в зеленой сере. бактерии, поглощающие фотоны и направляющие энергию возбуждения в реакционный центр, где она может быть преобразована в химическую энергию.
«FMO - это модельная система для изучения передачи энергии в процессе фотосинтеза, потому что она относительно проста (состоит всего из семи молекул пигмента) и ее химический состав хорошо изучен», - сказал Флеминг.
"Как и во всех фотосинтетических системах, преобразование света в химическую энергию происходит за счет электронных связей между молекулами, и мы отслеживали этот процесс как функцию времени и частоты."
Флеминг и его коллеги ожидали обнаружить, что энергия возбуждения от собранных фотонов в светоулавливающих молекулах пигмента транспортируется к молекулам реакционного центра FMO шаг за шагом вниз по лестнице энергии. Вместо этого они обнаружили различные энергетические пути, основанные на пространственном расположении молекул, в результате чего некоторые промежуточные ступени энергетической лестницы пропускаются.
«Энергия возбуждения проходила через комплекс FMO за меньшее количество шагов, но с большими приращениями энергии, чем предполагалось ранее», - сказал Флеминг.«Мы видим, что Природа использует квантово-механические эффекты, распределяя энергию возбуждения по двум или более молекулам в системе».
Фотосинтез должен войти в шорт-лист захватывающих достижений природы. Благодаря процессу фотосинтеза зеленые растения и цианобактерии способны передавать энергию солнечного света и инициировать ее преобразование в химическую энергию с эффективностью почти 100 процентов. Если мы сможем научиться подражать технике Природы и создавать искусственные версии фотосинтеза, тогда мы тоже сможем эффективно использовать солнце как чистый, эффективный, устойчивый и углеродно-нейтральный источник энергии для нашей технологии.
«Природа разработала одну из самых изысканно эффективных систем для сбора света, причем шаги происходят слишком быстро, чтобы энергия могла быть потрачена впустую в виде тепла», - сказал Флеминг. «Однако современные солнечные энергетические системы не следуют модели природы».
Имитация естественного фотосинтеза потребует лучшего понимания того, как энергия передается от светопоглощающих молекул пигмента к молекулам, которые составляют реакционные центры преобразования энергии. Поскольку дополнительная энергия, передаваемая от одной молекулы к другой, изменяет способ поглощения и излучения света каждой из них, поток энергии можно проследить с помощью оптической спектроскопии с разрешением в фемтосекундной шкале времени..
Недавно метод двумерной фемтосекундной спектроскопии с использованием инфракрасного света использовался для непосредственного наблюдения пространственного расположения молекулярных систем, которые колебательно связаны. Флеминг и его коллеги смогли распространить эту технику на электронные возбуждения, для возбуждения которых требуется видимый свет. Таким образом, они смогли изучить все важные изменения и связи в электронных состояниях этих связанных молекулярных систем. Они обнаружили два основных пути передачи энергии, в которых некоторые молекулы были обойдены в процессе из-за недостаточного пространственного перекрытия с потенциальными партнерами по передаче энергии. В одном пути, где было семь стадий переноса потенциальной энергии, процесс завершался в три стадии. В другом пути, где было шесть потенциальных стадий переноса, процесс завершался либо в три, либо в две стадии.
«Это дает нам новый взгляд на проектирование систем искусственного фотосинтеза», - сказал Флеминг. «Это говорит нам о том, что мы должны учитывать комбинированное пространственно-энергетическое расположение молекул в системе. Если молекулы в системе правильно расположены как в пространстве, так и в энергии, мы можем передавать энергию из одного места в другое гораздо эффективнее."
Следующим шагом будет применение этой техники к изучению молекулярных систем в реакционном центре фотосинтеза.
«Недостаточно просто уметь эффективно собирать свет, вы также должны иметь возможность эффективно преобразовывать его в полезную форму энергии», - сказал Флеминг.
Berkeley Lab - национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Беркли, Калифорния. Он проводит несекретные научные исследования и управляется Калифорнийским университетом. Посетите наш веб-сайт по адресу