在自然界的光合系统中，由捕光天线内色素分子吸收太阳光能，并将其激发态能量传递给反应中心驱动后续的电荷分离等过程，这些通常发生在几十飞秒到几十皮秒的时间尺度。得益于时间分辨光谱技术的发展，光合体系的超快激发态动力学得到了广泛研究。近年来的最新结果表明，色素分子的振动模式与电子态之间的耦合在促进光合体系高效能量转移与电荷分离等过程中发挥着重要的作用。特别电子振动相干耦合效应，被认为是揭示光合体系中量子相干传能等高效光能转化过程的关键点，并已成为国际上的前沿研究重点。但电子-振动耦合效应对光合体系电子态的动力学演化究竟会产生什么样的影响以及如何产生影响，人们对此仍然缺乏清晰直观的认识，尚需发展更多先进的超快光谱表征技术来揭示其背后的物理机制。
超快时间分辨瞬态荧光光谱技术是研究光合作用激发态动力学的有效手段，因为其探测的信号均来自于电子激发态，物理过程的解析简单直接。目前，条纹相机是能实现宽带瞬态荧光光谱测量的主流商业化仪器，此前为日本滨松公司所垄断，但由于其电子学测量原理的限制，时间分辨往往也只能达到皮秒。但光合色素间的传能可达到百飞秒时间尺度，且光损伤阈值较低，因此对时间分辨能力、探测灵敏度等技术指标都提出了较高要求。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心翁羽翔、陈海龙研究团队（SM6组）长期致力于自主研发飞秒时间分辨非共线光参量放大瞬态荧光光谱探测技术，目前已经实现高时间分辨率（<80fs）、高光学增益（>106）、宽光谱测量带宽（>150nm）、高探测灵敏度（<15光子/脉冲）等优异技术指标，达到国际领先水准。而近期通过采用创新的锥形荧光收集和环状放大方案，极大抑制此装置中量子噪声涨落的影响，将其信噪比提高了一个量级。此技术以“Femtosecond fluorescence conical optical parametric amplification spectroscopy”为题在线发表于Review of Scientific Instruments期刊上（2024, 95, 033008），并在此前已获得国家发明专利授权（ZL202110762614.3）。该团队应用此技术，针对典型光合体系内的超快激发态动力学进行了一系列研究，揭示了高等植物叶绿素a分子在溶液环境以及捕光天线LHCII中电子激发态上的振动能量转移、光合细菌反应中心的能量转移机制及电荷分离过程。
在高等植物中，叶绿素a分子是构成光合捕光天线的基本色素单元。利用飞秒时间分辨宽带荧光光谱探测技术，首次捕捉到溶液中的叶绿素a分子在光激发后几个皮秒内，其瞬态荧光发射光谱存在快速的蓝移和窄化现象（图1）。随后证明了这种反常现象源于叶绿素a电子激发态上的振动冷却过程，即由电子态的弛豫导致振动能量过剩，需通过与周围溶剂分子相互作用耗散掉，以此极大延长了高阶振动模式的寿命。而作为对照，在典型高等植物捕光天线LHCII中，叶绿素a分子振动冷却所导致的光谱蓝移和窄化仅持续百飞秒（图2），对应于天线内部色素间能量传递的时间尺度。这表明色素分子的激发态高阶振动模式参与并促进了捕光天线内部的能量转移，为电子-振动耦合效应在光合传能过程的关键作用提出了新的物理图像。
图1.（a）5×10-5 mol/L叶绿素a乙醇溶液在400nm激发下的瞬态荧光光谱随时间的演化；（b）激发波长在400nm和（c）630nm时，叶绿素a在不同时间延迟下的瞬态荧光光谱；（d），（e）激发叶绿素a的Soret（400nm）和Qy（630nm）吸收带时，瞬态荧光的（d）峰位与（e）峰宽随时间的变化，其中圆点表示数据点，曲线表示单指数拟合结果。
图2.（a）400nm激发LHCII中叶绿素a在不同时间延迟下的瞬态荧光光谱；（b）400nm激发下，乙醇溶液和LHCII中叶绿素a的瞬态荧光峰位随时间的变化；（c）乙醇溶液和LHCII中叶绿素a荧光各向异性衰减动力学，其中圆点表示数据点，曲线表示单指数拟合。
此外，在紫细菌反应中心（Rps. BRC）中，两个细菌叶绿素a分子构成的色素对P作为电子供体，驱动光合反应的电荷分离过程。由于色素所在环境的不同，两个单体脱镁细菌叶绿素H和单体细菌叶绿素B的Qy吸收峰相互分离，并一同作为色素对P的能量给体与电子受体，因此是研究色素间能量转移与电荷分离过程的理想体系。得益于所发展瞬态荧光光谱技术的飞秒时间分辨本领以及宽带光谱测量能力，直接确认了与细菌叶绿素B和P相关的两种不同的瞬态荧光组分。所获得的荧光动力学清晰地揭示了脱镁细菌叶绿素H到细菌叶绿素B（98 fs）、细菌叶绿素B到色素对P（170fs）的超快能量转移，以及电荷分离（3.5ps）的时间尺度（图3）。值得注意的是，预期亚200飞秒的细菌叶绿素B的荧光发射寿命被显著延长至约400飞秒，表明B的电子激发态与P的电子振动态之间可能存在一定的耦合，并对能量转移过程有潜在的促进作用（图4）。这一发现将有助于进一步理解电子振动耦合作用对光合反应中心内光诱导原初过程的影响机制。
图3.（a）Rps. BRC在750nm激发下的瞬态荧光光谱随时间的演化；（b）不同时间延迟下的瞬态荧光光谱，其中820nm和900nm附近的荧光峰分别来自细菌叶绿素B和P；（c）细菌叶绿素B（815nm）和P（915nm）的荧光发射动力学，其中灰色填充的曲线表示750nm处的仪器响应函数，圆点为数据点，曲线为多指数拟合结果。
图4.（a）Rps. BRC的结构示意图，其中P表示一对强耦合的细菌叶绿素a，BA和BB表示细菌叶绿素a单体，HA和HB表示脱镁细菌叶绿素a单体，QA和QB表示醌；（b）Rps. BRC在光激发后的电子态能量转移（EET）以及电荷分离（CS）过程示意图，细菌叶绿素B和P辐射的荧光分别用棕色和紫色箭头表示，其中P的振动态和B电子态的耦合可能在B到P的快速能量转移过程中发挥了关键作用。
上述工作基于该团队自主研发的飞秒时间分辨宽带荧光光谱技术，直观地给出了光合体系内色素分子的超快激发态动力学，其结果还可为设计高效的人工模拟光合体系提供支持。研究结果一以“Unraveling the Excited-state Vibrational Cooling Dynamics of Chlorophyll-a Using Femtosecond Broadband Fluorescence Spectroscopy”为题发表于The Journal of Chemical Physics期刊上；研究结果二以“Primary Processes in Bacterial Reaction Center Revealed by Femtosecond Broadband Fluorescence Spectroscopy”为题发表于Chinese Journal of Chemical Physics期刊上。中国科学院物理所博士研究生刘鹤元为文章第一作者，物理所陈海龙研究员为通讯作者。上述研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，中国科学院青年科学家基础研究项目，中国科学院战略性先导研究计划，山东省自然科学基金以及综合极端实验条件装置（SECUF）的支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1063/5.0197254
https://doi.org/10.1063/5.0203819
https://doi.org/10.1063/1674-0068/cjcp2311115