sekundy Femtosekundová spektroskopie, aneb

Transkript

1 Femtosekundová spektroskopie, aneb co všechno se může stát za biliontinu sekundy Tomáš Polívka Laboratoř optické spektroskopie

2 Časový vývoj Časové rozlišení ( ) = interval mezi dvěma následujícími obrázky

3 Některé objekty se pohybují... rychle ( = s) ještě rychleji = s

4 Sekvence obrázků = časový vývoj

5 Historicky první experiment (1878) = 1 ms = 0.001s = 10-3 s

6 Zastavování času = 1 s = 10-6 s

7 Můžeme sledovat chemické reakce? Vstupní látky (reaktanty) Produkty

8 Příklad - štěpení vody 2H 2 O 2H 2 + O 2

9 Jak rychlou kameru potřebujeme ke sledování chemických reakcí? rychlost: 1000 ms -1 vzdálenost: m s 100 fs = s Femtochemie Nobelova cena za chemii 1999 Ahmed Zewail

10 Nejkratší pulsy v naší laboratoři 10 fs (10-14 s)

11 Jak to funguje (jednoduché schéma ) Excitace sonda Detektor Zpoždění 1 ps = 0.3 mm 0 fs 500 fs fs fs

12 poněkud složitější ve skutečnosti Department of Chemical Physics, Lund University

13 Naše laboratoř

14 Laboratoř optické spektroskopie 2 aneb Čeho všeho jsme schopni Marcel Fuciman

15 Naše výzbroj Optické parametické zesilovače TOPAS (Light Conversion) nm TOPAS White 20 fs => široké spektrum cca 90 nm Laserový systém Integra-i (Quantronix) Ti:S zesilovač, 796 nm, 120 fs, 8 mm 2 mj v pulsu, 1 khz oscilátor(45 MHz, 12 mw) čerpání NdYAG (523 nm)

16 Transientní absorpce, pump-probe metoda Excitace 1 ps = 0.3 mm Probe Detektor Zpožďovací linka

17 Na co máme zaměřeno S N lykopen -karoten 3A - g 1B - u S 2 (1B u + ) violaxanthin S*,S S 1 (2A g - ) ICT zeaxanthin S 0 (1A g - ) Wavelength peridinin (nm) Polívka et al. PNAS 1999, J. Phys. Chem. B 2001 J. Phys. Chem. B 2002, Biochemistry 2002, Chem,. Rev. 2004; Chem. Phys. Lett. 2009

18 bílé kontinuum Měřící (probe) svazek laserový svazek (krátké pulsy) Laserový zdroj safírová destička spjná čočka S n S 2 S 1 S 2 S 0 S 0 E blue

19 A log Wavelength I probe I ref Detektor (Probe) Absorption Detektor (Reference)

20 A log Detektor (Probe) Wavelength probe I ref Absorption zpoždění mezi excitací a probem (WLC) PUMP puls Detektor (Reference) I bleaching ESA

21 Transientní absorpce měřící technika Reference 1 khz Probe 1 khz S D1 D2 Chopper 0,5 khz I probe I probe A log 10 log 10 I I ref bez excitace ref s excitací Detektory 1. diody (Si, Ge, ZnSe), diodová pole 2. fotonásobiče 3. CCD

22

23 Přenos energie Wavelength (nm) Time A (mod) Vlnová délka (nm) A (mod) Globální fitování Současné fitování všech kinetik na všech vlnových délkách Čas (ps)

24 Když máme infravidění S 2 (1B + u ) S 1 (2A - g ) EADS Renierapurpurinu v n-hexane (blízké IR) 210 fs (S 2 -S N ) 6.5 ps (S 1 -S 2 ) A / a.u Vlnová délka / nm Určení energie S 1 stavu S 0 (1A g - ) Steady-state spektrum S 1 -S 2 EADS 1 E = cm -1 A a A Polívka et al. PNAS Energie / cm -1 Energie / cm -1 safír nm, CaF 2 UV, YAP - IR

25 2 Pump-dump-probe Nekoherentní interakce tří pulsů Umožňuje manipulovat s populacemi excitovaných stavů 3 1 I probe I probe A 1 log 10 log 10 I ref I bez excitace ref s excitací I probe I probe A 2 log 10 log 10 I ref I bez excitace ref s excitací A A A 1 2 Diodové pole 1 pump (Topas) 2 dump (TopasW) 3 probe (bílé kontinuum) sdumpem bez dumpu

26 Použití P-D-P spektroskopie Pump-repump (dump) Pump-dump Prepump-Pump S N rp S 2 S 2 1B - D u? P S 1 S 0 D 1 P P 1 > 2 2 S 0 S 0 S 1 IC ET IC pp Car Chl-a Larsen et al. Chem. Phys. Lett., 2003; Papagiannakis et al. Biochemistry 2004 Q y

27

28 Nový laserový systém, nové možnosti - fluorescence upconversion F P S, h F h P h S n F n P n S k F k P k S, F F P S

29 Karotenoidy Václav Šlouf Laboratoř optické spektroskopie

30 β-karoten

31 Vitamín A

32 Lykopen

33 Zeaxanthin, lutein

34 Astaxanthin

35 Tunaxanthin

36 Méně viditelné karotenoidy peridinin fucoxanthin

37 Společné znaky karotenoidů protáhlé molekuly (~ 30 Å) prvkové složení: C, H bez kyslíku: karoteny s kyslíkem: xantofyly systém konjugovaných vazeb symetrie dávají nositelům většinou barvy od červené po žlutou (= většinou absorbují modré a zelené fotony) syntetizovány pouze rostlinami a mikroorganismy X Moran & Jarvik, Science 2010 mšice syntetizující karotenoidy!

38 Spektroskopie karotenoidů I 1 S 2 A [rel. jed.] [nm] S 0

39 1 0 Spektroskopie karotenoidů I S 2 S [nm] S 0 Zakázaný excitovaný stav ležící níže než absorbující energetický stav Schulten & Karplus, Chem. Phys. Lett. 1972, 14, 305. A [rel. jed.]

40 Spektroskopie karotenoidů II aneb k čemu je dobrá časově rozlišená spektroskopie S 2 S 1 S [nm] A [rel. jed.]

41 Polívka et al., PNAS Spektroskopie karotenoidů II aneb k čemu je dobrá časově rozlišená spektroskopie S 2 S 1 S 0 [nm] A [rel. jed.]

42 Spektroskopie karotenoidů II aneb k čemu je dobrá časově rozlišená spektroskopie S 2 S 1 E (S 0 -S 2 ) E (S 1 -S 2 ) = E (S 0 -S 1 ) S 0

43 Děkuji za pozornost!

44 Světlosběrnékomplexy Milan Durchan Laboratoř optické spektroskopie

45 Fotosyntéza 4 multiproteinové komplexy 3 mobilní přenašeče Fotosystém II Cytochrom b 6 /f Fotosystém I ATP-syntáza Plastochinon Plastocyanin Ferredoxin Oba fotosystémy dvě funkční části (reakční centrum + anténa)

46 K čemu je dobrá anténa? me m -2 s -1 = fotonů m -2 s -1 Aktivní profil jedné molekuly chlorofylu = ~ 1 Å fotonů Chl -1 s -1 Efekt čočky x může zvýšit intenz

47 Přirozený světlosběrný Titulní foto z dizertace M. Vissera

48 Mechanismy přenosu excitační energie Förster D * A D A * Rychlost přenosu: k av 2 Θ D * Dexter A D A * R 3 D A V F c Střední vzdálenosti Střední dipóly Beze změny spinu Spektrální překryv: ( ) A ( d F D A ) Excitonová interakce: V V D e R 2 L Krátké vzdálenosti Malé dipóly Změna spinu E 1 = E 2 2V E 1 E 2 Krátké vzdálenosti, velké dipóly

49 Prokaryota bez chloroplastů vysoce konzervovaná molekulární struktura RC vysoká variabilita světlosběrných komplexů

50 Eukaryota s chloroplasty FCP = fukoxantin-chlorofyl a/c protein PCP = peridinin-chlorofyl a protein

51 Peridinin chlorophyll-a protein (obrněnky) Vnější antén. protein, rozpustný ve vodě, přichycený na stromatální straně thylakoidní membrány

52 PCP spectrum Chl-a Car 2 Chl-a 8 karotenoidů Chl/Car = 1:4 Chl-a Chl-a Vlnová délka (nm) Za 5 pikosekund je energie na pasti! Absorbance

53 Fykobilizómy u sinic

54 Využití slunečního záření Antény s chl Karotenoidy Fykobilizómy Zelené sirné baktérie Purpurové baktérie Intenzita slunečního záření

55 Světlo ve velkých hloubkách ve vodě Při povrchu: ~10 fotonů Chl -1 s m pod hladinou: ~1 foton Chl -1 s m pod hladinou: ~0.1 fotonu Chl -1 s m pod hladinou: ~3.5 fotonů Chl -1 h -1 Jak tam mohou přežít fotosynt. organismy??

56 Ferreira et al. Science 2004

57 l Soret Chl Q y Car S 2 Chl Q x /vib Wavelength (nm) Chromera ve

58 Děkuji za pozornost!