Eksperyment optyczny. Optyka nanostruktur. Diagram Jabłońskiego. Typowe czasy. Sebastian Maćkowski

Transkrypt

1 Eksperyment optyczny Optyka nanostruktur Sebastian Maćkowski Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Adres poczty elektronicznej: Biuro: 365, telefon: ) roztwór czy ciało stałe, temperatura -) pomiar dynamiczny lub stacjonarny -) zakres widmowy pobudzenia i emisji -) szybkość zachodzących procesów (czy ps czy s) -)... (rozdzielczość, natężenie światła, liczba obiektów) Diagram Jabłońskiego Typowe czasy absorpcja: 1-15 s relaksacja wibracyjna: s czas życia w stanie S1: s, konwersja wewnętrzna: s konwersja międzysystemowa: s czas życia stanu T1: 1-6 1s

2 Typowe widmo fluorescencji Organizmy fotosyntetyczne Aparat fotosyntetyczny Kompleks LH2 membrana model membrana obraz AFM X. Hu, T. Ritz, A. Damjanovic, F. Autenrieth, & K. Schulten (2) Q. Rev. Biophys. 35, 1 62 Scheuring S. & Sturgis J. (5) Science 9,

3 Struktura kompleksu LH2 Struktura kompleksu LH2 struktura LH2 została określona z dokładnością 2.5 Å przy pomocy krystalografii promieni X (X-ray crystallography) PIĘKNA SYMETRIA 27 molekuł bakteriochlorofilu tworzących dwa pierścienie B85 silne oddziaływanie, odległość między najbliższymi sąsiadami ~ 9 Å B słabe oddziaływanie, odległość między najbliższymi sąsiadami ~ 21 Å McDermott, G., Prince, S., Freer, A., Hawthornthwaite-Lawless, A., Papiz, M., Cogdell, R. & Isaacs, N. (1995) Nature 374, Własności optyczne Absorpcja i przekaz energii absorpcja i emisja przekaz energii native LH2 Intensity absorpcja fluorescencja szybki i wydajny przekaz energii między karotenoidami a chlorofilem fluorescencja związana z pierścieniem B85 T. Polivka and V. Sundström, (4) Chem. Rev. 14, 21 kaskadowy przekaz energii między antenami LH2, LH1 i centrum reakcji

4 Pierwsze wyniki Pierwsze wyniki mikroskopia konfokalna unieruchomionych kompleksów LH2 energia pobudzania nm rozdzielczość przestrzenna 7 nm rozdzielczość czasowa ~ ps gaszenie fluorescencji w jednym kroku efekt silnego oddziaływania między molekułami tworzącymi pierścień B Bopp, M. A., Jia, Y., Li, L., Cogdell, R. J. & Hochstrasser, R. M. (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, brak informacji spektralnej Bopp, M. A., Jia, Y., Li, L., Cogdell, R. J. & Hochstrasser, R. M. (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, Mikroskop konfokalny Mikroskop konfokalny T~5K

5 Droga wzbudzenia Droga detekcji Detektory Apertura numeryczna

6 Współczynnik załamania Fotodioda lawinowa fotodioda lawinowa avalanche photodiode jeden z najbardziej czułych fotodektorów Złącze p-n Złącze p-n złącze p-n powstaje przez połączenie dwóch półprzewodników, z których jeden jest domieszkowany na typ p a drugi na typ n domieszki mają charakter płytkich donorów i akceptorów co zapewnia podobną koncentrację elektronów i dziur przy granicy złącze p-n w warunkach zewnętrznej różnicy potencjałów kierunek zaporowy kierunek przewodzenia

7 Animacja Fotodioda p-n & p-i-n fotodioda p-n fotodioda p-i-n napięcie w kierunku zaporowym, około V prąd ciemny ~ 1 na czas odpowiedzi ~ ns (p-n), ~ 5 ns (p-i-n) brak wzmocnienia Fotodioda Generacja nośników fotodioda pn, polaryzacja w kierunku zaporowym region 3 pary elektron-dziura tworzone w trzech regionach pary elektron-dziura tworzone w obszarze neutralnym bez pola elektrycznego tylko dyfuzja rekombinacja spontaniczna zerowy wkład do mierzonego prądu w obwodzie

8 Generacja nośników Generacja nośników region 2 region 1 pary elektron-dziura tworzone w pobliżu obszaru zubożonego dzięki dyfuzji nośnik może trafić do obszaru zubożonego wkład do mierzonego prądu w obwodzie dają elektrony z obszaru p i dziury z obszaru n pary elektron-dziura tworzone w obszarze zubożonym silne pole elektryczne separacja nośników brak rekombinacji spontanicznej prąd w kierunku zaporowym Fotodiody p-i-n Jonizacja typowe diody p-i-n i ich charakterystyki jonizacja w przypadku gdy pole elektryczne przekroczy określoną wartość, większą niż przerwa energetyczna, nośniki uzyskują energię, która jest wystarczająco duża by wygenerować parę elektron - dziura

9 Typowe s APD Eksperymenty w T<K mikroskopia i spektroskopia konfokalna unieruchomionych kompleksów LH2 energia pobudzania nm pomiar zależności polaryzacyjnych: przy pobudzeniu pierścienia BChl o wyższej energii, emisja molekuł z pierścienia B85 nie zależy od polaryzacji pobudzania radykalna poprawa fotostabilności kompleksu LH2 w niskiej temperaturze Tietz, C., Cheklov, O., Drabenstedt, A., Schuster, J. & Wrachtrup, J. (1999) J. Phys. Chem. B 13, Fluorescencja Widmo wzbudzenia T= K T=19 K & T=9.5 K emisja pojedynczych kompleksów LH2 widmo wzbudzenia B85 B z powodu silnego oddziaływania ekscytonowego brak jest wąskiej linii zero-fononowej van Oijen, A. M., Ketelaars, M., Kohler, J., Aartsma, T. J. & Schmidt, J. (1999). Science 285, 2.

10 Symetria kompleksu LH2 Dynamika konformacyjna rozszczepienie poziomów ekscytonowych pojedynczy kompleks LH2, pasmo B nieporządek nieporządek +asymetria van Oijen, A. M., Ketelaars, M., Kohler, J., Aartsma, T. J. & Schmidt, J. (1999) Science 285, 2. Hofmann, C., Aartsma, T.J. Michel, H., and Kohler, J. (3) Proc. Natl. Acad. Sci., hierarchiczny model krajobrazu energetycznego białka tworzącego kompleks LH2 Dynamika konformacyjna Perydynina-chlorofil-białko struktura (krystalografia promieni X) Amphidinium carterae Rutkauskas, et al., Biophys. J. 88, 422 (5) E. Hofmann et al., Science (1996)

11 Perydynina-chlorofil-białko PCP własności optyczne monomer PCP τ F =12 ps 1.7 nm Intensity (arb. units) 1,4 excitation 1,2 λ DET =67 nm 1,,8,6,4,2, absorption (Chl a) 2 -N-PCP 5 7 fluorescence λ EXC =514 nm przekaz energii Chl:Per - 1:4 dominująca absorpcja - karotenoidy słabe oddziaływanie między Chl wydajność kwantowa ~% długość fali emisji ~ 673 nm absorpcja w zakresie -55 nm D. Zigmantas et al. PNAS (2) Rekonstytucja Chl a Metoda badawcza 1 Chl a 4 Per mikroskop konfokalny LSM 41 obiektyw immersyjny NA = 1.3 rozmiar obrazu µm x µm moc lasera I = 32 µw plamka lasera ~ nm energia lasera 532 nm, 632 nm Chl a-n-pcp (Chl a) 2 -N-PCP Intensity absorption fluorescence Chl a-n-pcp 5 7 T. Brotosudarmo, SM, et al., FEBS Lett. 5 (6) 5257 S. Wörmke, SM, et al., APL 9 (7) 19391

12 Podstawowe własności Oddziaływanie Chl-Chl Chl a-n-pcp Spectrum number dwustopniowy zanik intensywności świecenia słabe oddziaływanie niezależny pomiar fluorescencji z obu Chl w monomerze S. Wörmke, SM, et al., BBA - Bioenergetics 1767 (7) 956 Oddziaływanie Chl-Chl Oddziaływanie Chl-Chl Chls in a monomer are rarely isoenergetic 25 complex 2 complex Chl a-n-pcp Energy splitting [cm ] 15 Occurence 1 6 Chl a-n-pcp 25 two emitting Chl a one emitting Chl a 1 Chls contribute equally to the fluorescence intensity Chl a-n-pcp P=1µW 9 Occurence 1,,5 1, 1,5 2, 2,5 Chl a/chl a Intensity ratio

13 Oddziaływanie Chl-Chl native PCP 5 (Chla)a) a)-n-pcp -N-PCP (Chl -N-PCP (Chl 2 22 λ=532nm =532nm λλ =532nm P=3 µµw P=1 W P=1 µw (a) (b) (c) Occurence Occurence Occurence 1 Dynamika białka Spectrum # wzrost szerokości rozkładu energii fluorescencji PCP native complexes that contain six Chl a molecules feature multiple intensity steps S. Wörmke, SM, et al., APL 9 (7) Układy z innymi chlorofilami 1 Chl b Wavelength Wavelength (nm) [nm] Occurence Pojedyncze kompleksy 4 Per Chl b-n-pcp T H.P. Brotosudarmo, SM, et al., Photosynth. Res. 95 (8) 247 S. Wörmke, SM, et al., J. Fluor. 18 (8) 611