Femtosekundová spektroskopie, aneb co všechno se může stát za biliontinu sekundy Tomáš Polívka Laboratoř optické spektroskopie
Časový vývoj Časové rozlišení ( ) = interval mezi dvěma následujícími obrázky
Některé objekty se pohybují... rychle ( = 0.01-1s) ještě rychleji = 0.001-0.01s
Sekvence obrázků = časový vývoj
Historicky první experiment (1878) = 1 ms = 0.001s = 10-3 s
Zastavování času = 1 s = 10-6 s
Můžeme sledovat chemické reakce? Vstupní látky (reaktanty) Produkty
Příklad - štěpení vody 2H 2 O 2H 2 + O 2
Jak rychlou kameru potřebujeme ke sledování chemických reakcí? rychlost: 1000 ms -1 vzdálenost: 10-10 m 0.000 000 000 000 100 s 100 fs = 10-13 s Femtochemie Nobelova cena za chemii 1999 Ahmed Zewail
Nejkratší pulsy v naší laboratoři 10 fs (10-14 s)
Jak to funguje (jednoduché schéma ) Excitace sonda Detektor Zpoždění 1 ps = 0.3 mm 0 fs 500 fs 3 000 fs 50 000 fs 300 400 500 600 700 800 300 400 500 600 700 800 300 400 500 600 700 800 300 400 500 600 700 800
poněkud složitější ve skutečnosti Department of Chemical Physics, Lund University
Naše laboratoř
Laboratoř optické spektroskopie 2 aneb Čeho všeho jsme schopni Marcel Fuciman
Naše výzbroj Optické parametické zesilovače TOPAS (Light Conversion) 240 2000 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)
Transientní absorpce, pump-probe metoda Excitace 1 ps = 0.3 mm Probe Detektor Zpožďovací linka
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 - ) 350 400 450 500 550 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
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
A log Wavelength I probe I ref Detektor (Probe) Absorption Detektor (Reference)
A log Detektor (Probe) Wavelength probe I ref Absorption zpoždění mezi excitací a probem (WLC) PUMP puls Detektor (Reference) I bleaching ESA
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
Přenos energie 20 15 10 5 0-5 0.2 0.5 1 4 10-10 -15-20 500 550 600 650 700 750 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm) Time A (mod) Vlnová délka (nm) 15 10 5 0-5 488 630 672 A (mod) Globální fitování Současné fitování všech kinetik na všech vlnových délkách -10-15 -20 0 5 10 15 20 Čas (ps)
Když máme infravidění S 2 (1B + u ) S 1 (2A - g ) 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 EADS Renierapurpurinu v n-hexane (blízké IR) 210 fs (S 2 -S N ) 6.5 ps (S 1 -S 2 ) A / a.u. 900 1000 1100 1200 1300 1400 Vlnová délka / nm Určení energie S 1 stavu S 0 (1A g - ) 1 8182 21368 Steady-state spektrum S 1 -S 2 EADS 1 E = 13186 cm -1 A a A Polívka et al. PNAS 1999 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 0 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Energie / cm -1 Energie / cm -1 safír 430 900 nm, CaF 2 UV, YAP - IR
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
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
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
Karotenoidy Václav Šlouf Laboratoř optické spektroskopie
β-karoten
Vitamín A
Lykopen
Zeaxanthin, lutein
Astaxanthin
Tunaxanthin
Méně viditelné karotenoidy peridinin fucoxanthin
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!
Spektroskopie karotenoidů I 1 S 2 A [rel. jed.] 0 350 400 450 500 550 [nm] S 0
1 0 Spektroskopie karotenoidů I S 2 S 1 350 400 450 500 550 [nm] S 0 Zakázaný excitovaný stav ležící níže než absorbující energetický stav Schulten & Karplus, Chem. Phys. Lett. 1972, 14, 305. A [rel. jed.]
Spektroskopie karotenoidů II aneb k čemu je dobrá časově rozlišená spektroskopie S 2 S 1 S 0 1 0 550 500 450 400 350 [nm] A [rel. jed.]
Polívka et al., PNAS 1999 1 0 550 500 450 400 350 Spektroskopie karotenoidů II aneb k čemu je dobrá časově rozlišená spektroskopie S 2 S 1 S 0 [nm] A [rel. jed.]
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
Děkuji za pozornost!
Světlosběrnékomplexy Milan Durchan Laboratoř optické spektroskopie
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)
K čemu je dobrá anténa? 0.2-2 me m -2 s -1 = 10 20-10 21 fotonů m -2 s -1 Aktivní profil jedné molekuly chlorofylu = ~ 1 Å 2 1-10 fotonů Chl -1 s -1 Efekt čočky 10 2-10 6 x může zvýšit intenz
Přirozený světlosběrný Titulní foto z dizertace M. Vissera
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
Prokaryota bez chloroplastů vysoce konzervovaná molekulární struktura RC vysoká variabilita světlosběrných komplexů
Eukaryota s chloroplasty FCP = fukoxantin-chlorofyl a/c protein PCP = peridinin-chlorofyl a protein
Peridinin chlorophyll-a protein (obrněnky) Vnější antén. protein, rozpustný ve vodě, přichycený na stromatální straně thylakoidní membrány
PCP spectrum Chl-a Car 2 Chl-a 8 karotenoidů Chl/Car = 1:4 Chl-a Chl-a 400 500 600 700 Vlnová délka (nm) Za 5 pikosekund je energie na pasti! Absorbance
Fykobilizómy u sinic
Využití slunečního záření 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Antény s chl Karotenoidy Fykobilizómy Zelené sirné baktérie Purpurové baktérie Intenzita slunečního záření
Světlo ve velkých hloubkách ve vodě Při povrchu: ~10 fotonů Chl -1 s -1 40 m pod hladinou: ~1 foton Chl -1 s -1 110 m pod hladinou: ~0.1 fotonu Chl -1 s -1 210 m pod hladinou: ~3.5 fotonů Chl -1 h -1 Jak tam mohou přežít fotosynt. organismy??
Ferreira et al. Science 2004
l Soret Chl Q y Car S 2 Chl Q x /vib. 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm) 500 550 600 650 700 Chromera ve
Děkuji za pozornost!