Химия высоких энергий, 2020, T. 54, № 2, стр. 158-160

Изучение свойств возбужденного состояния хлорофилла а (Хл a) является предметом первостепенного интереса, поскольку этот пигмент играет ключевую роль в природном фотосинтезе, а также находит применения в биофотонике. В данной работе представлен спектр поглощения возбужденного состояния хлорофилла в N,N-диметилформамиде (ДМФ) в диапазоне от 400 до 870 нм, полученный методом фемтосекундной лазерной спектроскопии “возбуждение–зондирование”.

Структура фотосинтетических пигмент-белковых комплексов растений и водорослей включает светособирающую антенну, в которой около ста молекул различных пигментов интегрированы в общую белковую матрицу, и реакционный центр, в котором происходит разделение зарядов и создается трансмембранная разность электрического потенциала [1]. Основным пигментом как антенны, так и реакционных центров большинства фотосинтезирующих организмов является Хл a. Несмотря на многолетние исследования, механизм первичных процессов разделения зарядов в фотосинтетических комплексах остается недостаточно изученным [2]. Сложность проблемы обусловлена тем, что в большинстве комплексов невозможно отделить Хл светособирающей антенны от кофакторов переноса электронов, не нарушая их общей структуры. При этом миграция возбуждения в антенне и разделение зарядов в реакционном центре происходят в одном масштабе времени 1–10 пс, поэтому для изучения этих процессов активно используют методы фемтосекундной лазерной спектроскопии “возбуждение–зондирование” [3]. Для интерпретации полученных в последние годы экспериментальных данных необходимы спектральные характеристики перового возбужденного состояния (S₁) Хл a в ближней инфракрасной области [4], однако, известные в литературе спектры возбужденного состояния Хл a ограничены видимым диапазоном до 670 нм, а сами спектры плохо согласуются друг с другом [5–7]. В связи с этим исследование синглетного состояния Хл a получает особую актуальность.

В данной работе измерялась оптическая динамика раствора Хл a в ДМФ, индуцированная фемтосекундным лазерным импульсом длительностью 27 фс и энергией 50 нДж. Хл a экстрагировали из листьев шпината обработкой ацетоном в течение 10 мин. Хл a отделялся от других пигментов методом тонкослойной хроматографии, идентификацию и чистоту хлорофилла в экстракте определяли с помощью УФ-видимой и ИК-спектрометрии. Хл a хранили в присутствии ДМФ при –80°С. Экспериментальная установка и методика измерений были описаны ранее [2]. Оптические изменения регистрировались в оптическом диапазоне 400–900 нм на временных задержках от 100 фс до 500 пс.

На рис. 1а приведен переходный спектр Хл a в ДМФ на временной задержке 1 пс при возбуждении импульсом с максимумом на 670 нм, длительностью 27 фс и полушириной 28 нм (сплошная линия 1). Импульс накачки индуцировал переход Хл преимущественно в первое возбужденное состояние S₀ → S₁ (полоса Q_Y с максимумом 665 нм), поэтому переходный спектр представляет собой суперпозицию спектра поглощения перового возбужденного состояния S₁ (положительный) и спектра выцветания основного состояния S₀ (отрицательый), а также стимулированного излучением спектра обратного перехода S₁ → S₀ (отрицательный). Для количественной интерпретации спектра (1) на рис. 1а приведен линейный спектр Хл a в ДМФ, взятый с обратным знаком (штрих-пунктир 2). Поскольку высшие возбужденные состояния импульсом накачки не генерировались, на интервале 100 фс–10 пс изменения оптического поглощения практически отсутствовали. Переходный спектр был нормирован по линейному спектру поглощения Хл a на длине волны 430 нм (полоса Соре), коэффициент экстинкции которого составляет 8.5 × 10⁴ M^–1 см^–1 [8]. Небольшая по амплитуде полоса выцветания в области 725 нм может быть приписана образовавшимся в небольших количествах агрегатам Хл.

Рис. 1.

Спектры хлорофилла a в N,N-диметилформамиде. (а) – переходный спектр на задержке 1 пс (сплошная линия 1) и инвертированный линейный спектр (штрих-пунктир 2). (б) – спектры поглощения основного (штрих-пунктир 1) и возбужденного (сплошная линия 2) состояний, а также спектр стимулированного излучения (точки 3).

На рис. 1б показан сплошной линией спектр состояния S₁. Он был получен вычитанием из переходного спектра (1) линейного спектра Хл a в ДМФ (2) и полосы поглощения Q_Y (точки 3), с помощью которой учитывался вклад стимулированного излучения. Амплитуда этого вклада была определена методом линейной регрессии, ее величина составляет около 92% от амплитуды полосы Q_Y в линейном спектре Хл a.

Полученный спектр состояния S₁ имеет несколько существенных отличий от имеющихся литературных данных. Во-первых, он демонстрирует наличие широкой полосы поглощения в дальней красной области 750–850 нм, которая не была отмечена ранее. Во-вторых, в красной области хорошо выражена полоса поглощения с максимумом около 635 нм, эта полоса отсутствует в спектре [7], а в спектре [6] она расположена около 665 нм. В-третьих, в синей области 400–480 нм спектры S₁ в работах [5, 7] практически совпадают с публикуемыми авторами спектрами основного состояния Хл a, тогда как спектр S₁ на рис. 1б в этой области существенно отличается от спектра S₀.