在自然界的光合系統中，由捕光天線内色素分子吸收太陽光能，并将其激發态能量傳遞給反應中心驅動後續的電荷分離等過程，這些通常發生在幾十飛秒到幾十皮秒的時間尺度。得益于時間分辨光譜技術的發展，光合體系的超快激發态動力學得到了廣泛研究。近年來的最新結果表明，色素分子的振動模式與電子态之間的耦合在促進光合體系高效能量轉移與電荷分離等過程中發揮着重要的作用。特别電子振動相幹耦合效應，被認為是揭示光合體系中量子相幹傳能等高效光能轉化過程的關鍵點，并已成為國際上的前沿研究重點。但電子-振動耦合效應對光合體系電子态的動力學演化究竟會産生什麼樣的影響以及如何産生影響，人們對此仍然缺乏清晰直覺的認識，尚需發展更多先進的超快光譜表征技術來揭示其背後的實體機制。
圖1.（a）5×10 mol/L葉綠素a乙醇溶液在400nm激發下的瞬态熒光光譜随時間的演化；（b）激發波長在400nm和（c）630nm時，葉綠素a在不同時間延遲下的瞬态熒光光譜；（d），（e）激發葉綠素a的Soret（400nm）和Q（630nm）吸收帶時，瞬态熒光的（d）峰位與（e）峰寬随時間的變化，其中圓點表示資料點，曲線表示單指數拟合結果。
超快時間分辨瞬态熒光光譜技術是研究光合作用激發态動力學的有效手段，因為其探測的信号均來自于電子激發态，實體過程的解析簡單直接。目前，條紋相機是能實作寬帶瞬态熒光光譜測量的主流商業化儀器，此前為日本濱松公司所壟斷，但由于其電子學測量原理的限制，時間分辨往往也隻能達到皮秒。但光合色素間的傳能可達到百飛秒時間尺度，且光損傷門檻值較低，是以對時間分辨能力、探測靈敏度等技術名額都提出了較高要求。中國科學院實體研究所/北京凝聚态實體國家研究中心翁羽翔、陳海龍研究團隊（SM6組）長期緻力于自主研發飛秒時間分辨非共線光參量放大瞬态熒光光譜探測技術，目前已經實作高時間分辨率（<80fs）、高光學增益（>10）、寬光譜測量帶寬（>150nm）、高探測靈敏度（<15光子/脈沖）等優異技術名額，達到國際領先水準。而近期通過采用創新的錐形熒光收集和環狀放大方案，極大抑制此裝置中量子噪聲漲落的影響，将其信噪比提高了一個量級。此技術以“Femtosecond fluorescence conical optical parametric amplification spectroscopy”為題線上發表于Review of Scientific Instruments期刊上（2024, 95, 033008），并在此前已獲得國家發明專利授權（ZL202110762614.3）。該團隊應用此技術，針對典型光合體系内的超快激發态動力學進行了一系列研究，揭示了高等植物葉綠素a分子在溶液環境以及捕光天線LHCII中電子激發态上的振動能量轉移、光合細菌反應中心的能量轉移機制及電荷分離過程。
圖2.（a）400nm激發LHCII中葉綠素a在不同時間延遲下的瞬态熒光光譜；（b）400nm激發下，乙醇溶液和LHCII中葉綠素a的瞬态熒光峰位随時間的變化；（c）乙醇溶液和LHCII中葉綠素a熒光各向異性衰減動力學，其中圓點表示資料點，曲線表示單指數拟合。
在高等植物中，葉綠素a分子是構成光合捕光天線的基本色素單元。利用飛秒時間分辨寬帶熒光光譜探測技術，首次捕捉到溶液中的葉綠素a分子在光激發後幾個皮秒内，其瞬态熒光發射光譜存在快速的藍移和窄化現象（圖1）。随後證明了這種反常現象源于葉綠素a電子激發态上的振動冷卻過程，即由電子态的弛豫導緻振動能量過剩，需通過與周圍溶劑分子互相作用耗散掉，以此極大延長了高階振動模式的壽命。而作為對照，在典型高等植物捕光天線LHCII中，葉綠素a分子振動冷卻所導緻的光譜藍移和窄化僅持續百飛秒（圖2），對應于天線内部色素間能量傳遞的時間尺度。這表明色素分子的激發态高階振動模式參與并促進了捕光天線内部的能量轉移，為電子-振動耦合效應在光合傳能過程的關鍵作用提出了新的實體圖像。
圖3.（a）Rps. BRC在750nm激發下的瞬态熒光光譜随時間的演化；（b）不同時間延遲下的瞬态熒光光譜，其中820nm和900nm附近的熒光峰分别來自細菌葉綠素B和P；（c）細菌葉綠素B（815nm）和P（915nm）的熒光發射動力學，其中灰色填充的曲線表示750nm處的儀器響應函數，圓點為資料點，曲線為多指數拟合結果。
此外，在紫細菌反應中心（Rps. BRC）中，兩個細菌葉綠素a分子構成的色素對P作為電子供體，驅動光合反應的電荷分離過程。由于色素所在環境的不同，兩個單體脫鎂細菌葉綠素H和單體細菌葉綠素B的Qy吸收峰互相分離，并一同作為色素對P的能量給體與電子受體，是以是研究色素間能量轉移與電荷分離過程的理想體系。得益于所發展瞬态熒光光譜技術的飛秒時間分辨本領以及寬帶光譜測量能力，直接确認了與細菌葉綠素B和P相關的兩種不同的瞬态熒光組分。所獲得的熒光動力學清晰地揭示了脫鎂細菌葉綠素H到細菌葉綠素B（98 fs）、細菌葉綠素B到色素對P（170fs）的超快能量轉移，以及電荷分離（3.5ps）的時間尺度（圖3）。值得注意的是，預期亞200飛秒的細菌葉綠素B的熒光發射壽命被顯著延長至約400飛秒，表明B的電子激發态與P的電子振動态之間可能存在一定的耦合，并對能量轉移過程有潛在的促進作用（圖4）。這一發現将有助于進一步了解電子振動耦合作用對光合反應中心内光誘導原初過程的影響機制。
圖4.（a）Rps. BRC的結構示意圖，其中P表示一對強耦合的細菌葉綠素a，B和B表示細菌葉綠素a單體，H和H表示脫鎂細菌葉綠素a單體，Q和Q表示醌；（b）Rps. BRC在光激發後的電子态能量轉移（EET）以及電荷分離（CS）過程示意圖，細菌葉綠素B和P輻射的熒光分别用棕色和紫色箭頭表示，其中P的振動态和B電子态的耦合可能在B到P的快速能量轉移過程中發揮了關鍵作用。
上述工作基于該團隊自主研發的飛秒時間分辨寬帶熒光光譜技術，直覺地給出了光合體系内色素分子的超快激發态動力學，其結果還可為設計高效的人工模拟光合體系提供支援。研究結果一以“Unraveling the Excited-state Vibrational Cooling Dynamics of Chlorophyll-a Using Femtosecond Broadband Fluorescence Spectroscopy”為題發表于The Journal of Chemical Physics期刊上；研究結果二以“Primary Processes in Bacterial Reaction Center Revealed by Femtosecond Broadband Fluorescence Spectroscopy”為題發表于Chinese Journal of Chemical Physics期刊上。中國科學院實體所博士研究所學生劉鶴元為文章第一作者，實體所陳海龍研究員為通訊作者。上述研究得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金，中國科學院青年科學家基礎研究項目，中國科學院戰略性先導研究計劃，山東省自然科學基金以及綜合極端實驗條件裝置（SECUF）的支援。
編輯：十一