Fotosünteetiliste komplekside ja biomolekulide selektiivspektroskoopia

Kitsajooneliste laserite kasutamisel põhinevad mitmed tahkiste selektiivspektroskoopia meetodid: spektraalsälkamine (SHB), fluorestsentsijoone kitsenemine (FLN) ja diferentsiaalne FLN ehk DFLN.  Nende rakendamine võimaldab üle saada spektrite mittehomogeensest laienemisest, mis pahatihti struktuursema ja seega palju informatiivsema homogeense spektri enda alla matab (vt joonist 1). Selektiivspektritest saadakse homogeensete spektrite tegelik kuju, võimalik on uurida elektron–foonon ja elektron–võnke (vibroonseid) vastasmõjusid ning energiasiirete teid ja kiirusi. Meie laboris rakendatakse neid meetodeid eelkõige bioloogilist tähtsust omavate molekulide ja molekulaarkomplekside (nt taimede ja bakterite antennivalgud) spektrite uurimiseks. Biofüüsika laboril  on oluline panus diferentsiaalse fluorestsentsi kitsenemise efekti arendamisel arvestatavaks spektroskoopiliseks meetodiks.

Oleme rakendanud erinevaid tava- ja kõrglahutusega meetodeid klorofülli (Chl-a) ja bakterklorofülli (BChl-a) molekulide võnkespektrite uurimiseks külmunud lahustes vedela heeliumi lähedastel temperatuuridel. DFLN meetodiga määrasime esmakordselt elektron–foonon ja vibroonse vastasmõju tugevused, mida iseloomustatakse vastavate Huang–Rhys faktoritega, S_ph ja S_vib. Tegime kindlaks, et S_ph sõltub tugevasti ergastavast lainepikkuse suhtelisest asukohast mittehomogeenses neeldumisribas piires.

Chl-a lisandiga 1-propanol klaasis kasvab Huang–Rhys faktor S_ph peaaegu lineaarselt väärtuselt 0.4 lainepikkusel 669 nm kuni 0.6-ni lainepikkusel 693 nm, näidates seega ootamatut ja otsest korrelatsiooni elektronsiirde energia ja elektron–foonon vastasmõju vahel. Seevastu vibroonne vastasmõju S_vib=0.53 osutus ergastavast lainepikkusest sõltumatuks.

Termofiilse purpurbakteri Thermochromatium tepidum antennikompleksis LH1-RC kasvab Huang–Rhys faktor S_ph väärtuselt 1.6 kuni 2.2-ni, kus lainepikkused on vastavalt 950 ja 958 nm. Sarnane tugev elektron–foonon vastasmõju ja sõltuvus lainepikkusest leiti ka väävlivabade purpurbakterite Rhodobacter sphaeroides ja Rhodoblastus acidophilus antennikompleksides LH1 ja LH2.

Joonis 1. Spektraalsälkamine ja fluorestsentsijoone kitsenemine. Kloriini molekuli neeldumis- (sinine joon)  ja fluorestsentsspekter (punane joon) 1-propanoli tahkes lahuses temperatuuril 4.5 K. Eraldi akendes on näidatud sama molekuli kõrglahutusega spektrid: vasakul, musta joonena rida kitsaid sälke nn spektraalsälkamise (SHB) spektris; paremal, musta joonena lainepikkusel 632 nm ergastatud diferentsiaalne fluorestsentsijoone kitsenemise (DFLN) spekter, mis koosneb kitsast foononvabast joonest (ZPL) ja laiast foonontiivast (PSB), lisaks veel võnkekordused pikematel lainepikkustel.

Joonis 2. Spektraalsälkamine (SHB). Ülemine osa kujutab lihtsustatult IDF-i enne ja pärast sälkamist. Alumises osas musta joonena näidatud SHB spekter koosneb kitsast, laserergastusega resonantsest foononvabast joonest, mille eri külgedel asuvad tegelik foonontiib (real-PSB) ja pseudotiib (pseudo-PSB). Siin kasutatakse suhtelist lainearvude skaalat, mille nulliks on võetud laserergastuse sagedus. Mittehomogeense jaotusfunktsiooni IDF laius (täislaius poole amplituudi juures) on 80 cm^–1, IDF-i asukoht 12 cm^–1, foonontiiva maksimum w_m=22 cm^–1, Huang–Rhys faktor S_ph=0.5. Foonontiiva kuju on empiiriliselt väljendatud madalama sagedusega pooles Gaussi joonena poollaiusega 20 cm^–1 ja kõrgema sagedusega pooles Lorentzi joonena poollaiusega 70 cm^–1.

Joonis 3. Fluorestsentsijoone kitsenemine (FLN). Punase joonena esitatud FLN spekter koosneb kitsast foononvaba joonest ja sellega külgnevast foonontiivast. Siinne foonontiib on kompleksne ja sisaldab lisaks tegelikule foonontiivale (real-PSB) ka pseudotiibasid (pseudo-and multi-PSBs), mida kujutavad eri värvi kõverad. ZPL joont varjutab ergastava laserikiirelt pärit tugev hajumisfoon, mistõttu ZPL-i intensiivsus jääb määramata. Mudelspektri parameetrid on samad mis joonisel 2.