太陽照射地球1小時的太陽能約合全世界( 1年 )的總能耗，與此同時，我們的全球二氧化碳排放量正在增加。利用先進的材料和超快速激光光譜技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化為人工光合材料是一個熱門的研究領(lǐng)域。

據(jù)悉，隆德大學用光合作用動力學圖像來展示如何控制氣體排放。光合作用是一個復雜的過程，涉及多個光復合體和反應中心，但由于溫室氣體和氣候變化，對其細節(jié)的理解變得更加迫切。

圖示:監(jiān)測光合作用-隆德實驗裝置的一部分

隆德大學現(xiàn)在已經(jīng)使用超快激光光譜學和一個光學腔來分析和影響光合作用的動力學研究。研究表明了整個過程是如何被調(diào)節(jié)，以及設計人工光合裝置的途徑。

據(jù)《自然通訊》報道，該項目采用飛秒泵浦探測光譜法來研究一種光合蛋白質(zhì)，即“捕光2”復合體或LH2，已知在紫色光合細菌中構(gòu)成捕光天線。

上圖示：微腔結(jié)構(gòu)和LH2性質(zhì)

上圖a:半透明的Fabry-Pérot腔結(jié)構(gòu)，其中兩個Au反射鏡(厚度22 nm)夾在含有LH2(厚度300 nm)的PVA薄膜中; 圖b:嗜酸Rhodoblastus ophilus菌株10050的LH2復合物的結(jié)構(gòu)，垂直于膜平面的視圖(上)和復合物的側(cè)視圖(下)，其中緊密排列的B850環(huán)為藍色，松散排列的B800環(huán)為淡紫色，類胡蘿卜素鏈為棕色，α-載脂蛋白鏈為青色，β-載脂蛋白鏈為綠色;圖c:玻璃襯底上LH2裸膜的穩(wěn)態(tài)吸收，其中B800和B850吸收峰被很好地分解。

該團隊建立在先前的研究基礎(chǔ)上，利用光腔來調(diào)節(jié)光合作用和其他光物質(zhì)相互作用中的復雜動力學。通過正確的反射鏡和光學參數(shù)，就可以實現(xiàn)光合作用分子和腔體之間的強耦合，從而產(chǎn)生通常不參與該過程的新的光學極化狀態(tài)。這些反過來又會影響光合作用的整體運作，并改變其他物理性質(zhì)，如導電性。

上圖示： LH2極化激元中的拉比分裂

角度分辨穩(wěn)態(tài)吸收測量

為 了 評估LH2腔內(nèi)可能存在的強耦合，測量了角分辨反射光譜和透射光譜(見補充圖2)，并提取相應的角分辨吸收光譜為A=1-T-R，如 上圖a 所示。從該腔樣品的色散曲線可以解析出3個極子分支:上極子分支(UP)、中極子分支(MP)和下極子分支(LP)。極化子分支的能量與耦合振蕩器模型很好地擬合。B850波段和B800波段的Rabi劈裂能分別為61meV和47meV。擬合的極化子分支位置用黃色(UP)、藍色(MP)和粉色(LP)虛線表示，光子模式和激子波長分別用灰色實線和黑色虛線表示。色散曲線在B850帶附近有明顯的抗交叉行為，表明實現(xiàn)了強耦合。 圖b 給出了在腔模和B850激子接近共振角(30°)處的腔吸收譜。在約860 nm處檢測到明顯的峰分裂，分離速度為65 meV。用2、18 ?ΩR≥(γM + γC)/2評價強耦合，其中?ΩR為Rabi劈裂能，γM和γC分別為裸分子激子(γM)和腔模(γC)半最大線寬處的全寬。穩(wěn)態(tài)吸收光譜測定B850波段的線寬為42 meV。從負失諧腔的透射光譜中得到了空腔的線寬，約為78 meV。確實，B850帶的Rabi劈裂能(61meV)大于(γM_B850+γC)/2=60meV，證實了B850帶與空腔是強耦合的。嚴格地說，系統(tǒng)處于強耦合的邊緣。相比之下，在B800波段的峰值處，只發(fā)生了微弱的峰分裂，且發(fā)生了較輕微的反交叉。B800波段的線寬同樣由穩(wěn)態(tài)吸收光譜確定為40meV。Rabi劈裂能(46meV)與(γM_B800+γC)/2=59meV的值比較表明，B800帶處于弱或中等耦合狀態(tài)。兩次分裂的差異與兩個激子帶與腔的耦合強度直接相關(guān)，考慮到耦合強度與腔內(nèi)分子濃度的平方根成正比，可以用LH2中參與B850環(huán)和B800環(huán)的BChla分子數(shù)量的不同來解釋。 圖c 顯示了極化子分支的激子和光子混合系數(shù)。我們可以看到，MP和LP由B850波段和30°左右的腔光子幾乎相同的貢獻組成。同樣，MP和LP的B800波段和光子在45°附近的比值幾乎相同。

雖然這些效應背后的理論是眾所周知的，但它們的實際證明是具有挑戰(zhàn)性的。Lund項目是第一個使用瞬態(tài)吸收光譜來確認紫色細菌中LH2的極化子動力學的項目，使用的設置是兩個平行的金鏡創(chuàng)建了一個Fabry-Pérot腔，并將一層含有LH2s的聚乙烯醇薄膜夾在中間。

上圖：LH2極化子動力學

裸LH2薄膜和30°角腔的泵浦探測動力學(散射標記)，泵浦激發(fā)在785 nm (8.5 uJ/脈沖/cm2)，探頭在875 nm和830 nm(插圖顯示前10 ps的動力學信號)和相應的c能量弛豫路徑。實線是基于速率動力學模型的擬合結(jié)果。

上 圖a 給出了在875 nm處探測的動力學過程，在875 nm處，空腔樣品的LP狀態(tài)和裸B850帶的紅尾都在這里。在裸LH2薄膜的B850波段(灰色線)和強耦合系統(tǒng)的LP態(tài)(橙色線)均觀察到基態(tài)漂白信號。我們注意到強耦合體系的壽命比裸LH2薄膜長得多。類似的行為在其他有機極化子系統(tǒng)中已經(jīng)被報道過，并被激子儲層理論解釋。 圖c 顯示了可能的能量弛豫路徑，假設該路徑被強耦合產(chǎn)生的極聲子態(tài)和暗態(tài)(DS)所修飾。使用基于速率的動力學模型對相應的動力學過程進行半量化，我們將基態(tài)吸光度的瞬態(tài)偏移可能產(chǎn)生的影響最小化，以簡化擬合。裸體LH2薄膜和強耦合腔體樣品在830 nm處的泵探針動力學如 圖b 所示。對于裸LH2薄膜，正信號對應于激發(fā)態(tài)吸收(ESA)。相比之下，強耦合系統(tǒng)由于MP區(qū)域附近的Rabi劈裂收縮而觀察到一個負信號，這間接驗證了極化子態(tài)的形成。圖中顯示在前幾ps內(nèi)動能信號上升，這代表了能量從激發(fā)態(tài)B800到MP態(tài)的傳遞過程。比較兩種情況下的動力學，觀察到在強耦合系統(tǒng)中衰減比在裸LH2膜中更快。我們將腔系統(tǒng)中更快的衰變歸因于能量從MP到暗態(tài)的轉(zhuǎn)移。如上所述，基于態(tài)密度的參數(shù)，這一轉(zhuǎn)移步驟預期要比未耦合B850激發(fā)態(tài)的衰變快。

總之，首次證明了Fabry?Pérot金屬光學腔與紫色細菌LH2的B850激子帶之間的強耦合，Rabi劈裂為61 meV。泵浦探針光譜揭示了強耦合系統(tǒng)中與非耦合LH2膜中顯著不同的激子動力學。當在830 nm探測時，在強耦合體系中檢測到負信號，而非耦合LH2膜的正ESA信號則相反。觀測結(jié)果可以用與極化子態(tài)形成一致的拉比收縮來解釋。此外，強耦合體系的壽命比裸LH2薄膜長得多，證實了暗態(tài)對能量轉(zhuǎn)移的重要作用。由于極化子態(tài)可以在空間和能量分離的激子種之間形成有效的能量弛豫途徑，進一步探索LH2s和RC之間可能的腔介導的能量傳遞將是非常有意義的。

“我們在兩個相距僅幾百納米的鏡子之間插入了所謂的光合天線復合體，作為一個光學微腔，也可以說，我們以一種囚禁的方式捕捉在鏡子之間來回反射的光?！甭〉麓髮W化學物理學教授T?nu Pullerits稱道。

圖示：兩個鏡子之間的五個天線復合體。鏡子間的距離約為300納米。

借助彼此相隔幾百納米鏡子,科學家們已經(jīng)成功地有效地利用光。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于指導操控光合作用的第一步。從長遠來看，這可能用于將二氧化碳轉(zhuǎn)化 為人工光和材料。

設計光合作用和人造材料

通過監(jiān)測腔的色散行為，并將其與蛋白質(zhì)中被激發(fā)的躍遷能量相關(guān)聯(lián)，驗證了實驗中產(chǎn)生的強耦合機制。根據(jù)該項目的論文，由于LH2中極化子狀態(tài)的產(chǎn)生，激子動力學發(fā)生了實質(zhì)性的變化。

該項目表示，光和天線復合物之間存在強相互作用，可以產(chǎn)生漣漪效應，從而加快能量傳遞過程，開辟了調(diào)整整個光合作用鏈的不同階段的前景，以實現(xiàn)預期最終結(jié)果。 一旦確定了預期的能量動態(tài)，新的人工光合材料也可能出現(xiàn)。

Pullerits說：“如果我們能使光合作用的第一步更快更有效，我們希望在未來使其他系統(tǒng)的光能轉(zhuǎn)換更有效?！薄拔覀円呀?jīng)邁出了漫長的過程中的幾個初始步驟，可以說我們已經(jīng)找到了一個非常有希望的方向?！?/p>

飛秒泵探測光譜

超快泵探頭測量分別在兩個內(nèi)部建立的單色探頭和寬帶探頭檢測裝置上執(zhí)行。寬帶飛秒泵浦探測是基于一個至日(光譜物理)放大激光系統(tǒng)進行的，該系統(tǒng)以4 kHz重復率產(chǎn)生中心波長為796 nm的~60 fs脈沖。激光輸出分為兩部分，分別產(chǎn)生泵浦光和探測光。泵浦光脈沖(以785 nm, 100 fs為中心)由共線光參量放大器(TOPAS-C，光轉(zhuǎn)換)產(chǎn)生。第二個TOPAS被用來產(chǎn)生1350 nm的脈沖，聚焦在CaF2晶體上產(chǎn)生寬帶白光探針。單色飛秒泵探頭測量使用了以下設置46。一個放大飛秒激光系統(tǒng)(Pharos，光轉(zhuǎn)換)工作在1030 nm，以1 kHz的重復頻率提供200 fs的脈沖泵浦兩個非共線光學參數(shù)放大器(NOPAs, Orpheus-N，光轉(zhuǎn)換)。其中一種用于產(chǎn)生以785 nm為中心的泵浦脈沖，脈沖持續(xù)時間為100 fs。第二個NOPA分別在830 nm和870 nm處產(chǎn)生探針脈沖，用于差分透射測量。在這兩種設置中，泵和探頭脈沖幾乎共線。探頭相對于泵有一個機械延遲階段的時間延遲。激光束和腔體是定向的，使它們彼此成30°角。在這個角度下，腔模與B850激子共振。探頭脈沖的極化設置為TE模式。測量是在室溫下進行的。為避免LH2膜中的雜散效應和激子-激子湮滅，采用低能量(8.5 μJ/cm2/脈沖)泵浦脈沖記錄信號。

樣品制備方法

LH2光合物從先前報道的嗜酸Rhodoblastus acidophilus10050中分離出來，分散在TL緩沖液中(0.1% LDAO, 20 mM Tris。HCl pH 8.0)，并在?80°C作為原液存儲。光學腔建立在玻璃基板(15 × 15 mm2)上，分別在堿性溶液(0.5% Hellmanex在去離子水中，15min)、去離子水(15min)、丙酮(15min)和異丙醇(15min)中連續(xù)超聲清洗，然后氧等離子體處理1min。隨后，采用真空濺射沉積(AJA Orion 5)的方法在玻璃襯底上沉積了厚度為22 nm的半透明金鏡面。將PVA以70 mg/ml的濃度溶解在上述Tris緩沖液中，制備活性聚合物層。然后用旋渦混合器將LH2原液與PVA水溶液按體積比5:3混合，通過PVDF過濾器(孔徑0.45 mm)。在混合溶液中加入氧清除劑以防止LH2的光氧化。混合溶液以1500轉(zhuǎn)/分1分鐘的速度旋涂(Laurell Technologies WS-650)到Au鏡面鍍膜玻璃基板上。然后，通過真空濺射沉積在聚合物層的頂部沉積了第二個22 nm的金反射鏡。制備的腔體在- 20°C的黑暗真空下保存，以避免樣品的任何氧化和任何老化。為了進行比較，使用相同的混合溶液和參數(shù)在沒有Au反射鏡的清潔玻璃基板上旋轉(zhuǎn)鍍膜，制備了裸LH2薄膜參考樣品。

穩(wěn)態(tài)光譜

用標準分光光度計(λ 950, Perkin Elmer)和附件測量所有穩(wěn)態(tài)光譜。用可變角度附件記錄了角度分辨透射光譜。利用普適反射附件獲得角度分辨反射光譜。

文章來源：

https://optics.org/news/13/11/48

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34613-x