Optyka nanostruktur Perydynina-chlorofil-białko Rekonstytucja Chl a ...
Optyka nanostruktur Perydynina-chlorofil-białko Rekonstytucja Chl a ...
Optyka nanostruktur Perydynina-chlorofil-białko Rekonstytucja Chl a ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Optyka</strong> <strong>nanostruktur</strong><br />
Sebastian Maćkowski<br />
Instytut Fizyki<br />
Uniwersytet Mikołaja Kopernika<br />
Adres poczty elektronicznej: mackowski@fizyka.umk.pl<br />
Biuro: 365, telefon: 611-3250<br />
<strong>Rekonstytucja</strong> <strong>Chl</strong> a<br />
1 <strong>Chl</strong> a<br />
4 Per<br />
SL 2008/2009<br />
(<strong>Chl</strong> a) 2 -N-PCP<br />
T. Brotosudarmo, SM, et al.,<br />
FEBS Lett. 580 (2006) 5257<br />
SL 2008/2009<br />
monomer PCP<br />
Amphidinium carterae<br />
<strong>Perydynina</strong>-<strong>chlorofil</strong>-<strong>białko</strong><br />
struktura (krystalografia promieni X)<br />
<strong>Perydynina</strong>-<strong>chlorofil</strong>-<strong>białko</strong><br />
τ F =12 ps<br />
1.7 nm<br />
<strong>Chl</strong>:Per - 1:4<br />
dominująca absorpcja - karotenoidy<br />
słabe oddziaływanie między <strong>Chl</strong><br />
E. Hofmann et al., Science (1996)<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009
Fluorescence intensity<br />
0 10 20 30<br />
Spectrum number<br />
Oddziaływanie <strong>Chl</strong>-<strong>Chl</strong><br />
<strong>Chl</strong> a-N-PCP<br />
dwustopniowy zanik intensywności<br />
świecenia – słabe oddziaływanie<br />
niezależny pomiar fluorescencji<br />
z obu <strong>Chl</strong> w monomerze<br />
Fluorescence intensity<br />
Pigment<br />
T=300 K<br />
λ EX =532 nm<br />
Fluorescence<br />
maximum<br />
[nm]<br />
600 630 660 690 720 750<br />
Wavelength [nm]<br />
Fluorescence intensity<br />
Fluorescence intensity<br />
Fluorescence intensity<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
640 660 680 700 720<br />
Wavelength [nm]<br />
S. Wörmke, SM, et al., BBA - Bioenergetics 1767 (2007) 956<br />
Inne typy <strong>chlorofil</strong>u<br />
(<strong>Chl</strong> b) 2 -N-PCP<br />
(<strong>Chl</strong> a) 2 -N-PCP<br />
(ac<strong>Chl</strong> a) 2 -N-PCP<br />
Extinction<br />
coefficient<br />
[mM -1 cm -1 ]<br />
Intensity<br />
Lifetime<br />
[ns]<br />
1<br />
0,1<br />
T=300 K<br />
λ EX =500 nm<br />
Quantum<br />
yield [%]<br />
0 5 10 15<br />
Time [ns]<br />
Per to <strong>Chl</strong><br />
transfer time<br />
[ps] 1<br />
<strong>Chl</strong> a 672 78.8 at 662 nm 3.68 24 3.55<br />
<strong>Chl</strong> b 651 46.9 at 644 nm 1.4 11 9.4<br />
ac<strong>Chl</strong> a 692 65.2 at 667 nm 3.86 21 2.55<br />
(<strong>Chl</strong> b) 2 -N-PCP<br />
(<strong>Chl</strong> a) 2 -N-PCP<br />
(ac<strong>Chl</strong> a) 2 -N-PCP<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009<br />
O<br />
H<br />
R1 R2<br />
A B<br />
N N<br />
N N<br />
D<br />
C<br />
H<br />
O<br />
C20H39 H<br />
M<br />
E<br />
O<br />
COOCH 3<br />
<strong>Chl</strong>orofile<br />
Układy z innymi <strong>chlorofil</strong>ami<br />
1 <strong>Chl</strong> b<br />
<strong>Chl</strong> b-N-PCP<br />
4 Per<br />
SL 2008/2009<br />
T H.P. Brotosudarmo, SM, et al.,<br />
Photosynth. Res. 95 (2008) 247<br />
SL 2008/2009
S. Wörmke, SM, et al., J. Fluor. 18 (2008) 611<br />
Absorption<br />
absorpcja<br />
chl a<br />
chl b<br />
chl a+b<br />
400 500 600 700<br />
Wavelength [nm]<br />
Pojedyncze kompleksy<br />
Układy dwu<strong>chlorofil</strong>owe<br />
Fluorescence<br />
fluorescencja<br />
chl a<br />
chl b<br />
chl a+b<br />
600 620 640 660 680 700 720 740<br />
Wavelength [nm]<br />
Intensity<br />
widmo wzbudzenia<br />
400 500 600<br />
Układy dwu<strong>chlorofil</strong>owe<br />
1 <strong>Chl</strong> a<br />
1 <strong>Chl</strong> b<br />
8 Per<br />
<strong>Chl</strong> a-N-PCP <strong>Chl</strong> b-N-PCP <strong>Chl</strong> a/<strong>Chl</strong> b-N-PCP<br />
T H.P. Brotosudarmo, SM, et al., Photosynth. Res. 95 (2008) 247<br />
SL 2008/2009 SL 2008/2009<br />
chl a<br />
chl b<br />
chl a+b<br />
Wavelength [nm]<br />
670nm<br />
650nm<br />
SL 2008/2009<br />
Intensity<br />
excitation, λ det = 652nm<br />
excitation, λ det = 673nm<br />
400 500 600 700<br />
Wavelength [nm]<br />
Widmo wzbudzenia<br />
excitation spectra show energy<br />
transfer between <strong>Chl</strong> a and <strong>Chl</strong> b<br />
2<br />
9000(ln10)<br />
κ Φ<br />
r)<br />
= 5 4<br />
128π<br />
N n τ R<br />
Förster description<br />
D<br />
kT ( 6 ∫ D<br />
0<br />
A D<br />
∞<br />
4<br />
F ( λ)<br />
ε ( λ)<br />
λ dλ<br />
SL 2008/2009
detekcja <strong>Chl</strong> a<br />
detekcja <strong>Chl</strong> b<br />
Fluorescence intensity<br />
Fluorescence intensity<br />
intensity ratio between<br />
<strong>Chl</strong> a and <strong>Chl</strong> b:<br />
equilibrium: 0.51<br />
Monte Carlo: 0.64<br />
Widmo wzbudzenia<br />
1<br />
<strong>Chl</strong> a/b-N-PCP<br />
<strong>Chl</strong> a-N-PCP<br />
0<br />
600 620 640 660 680 700<br />
Wavelength [nm]<br />
1<br />
<strong>Chl</strong> a/b-N-PCP<br />
<strong>Chl</strong> b-N-PCP<br />
0<br />
600 620 640 660 680 700<br />
Wavelength [nm]<br />
Intensity<br />
Intensity<br />
Rozkład obsadzeń<br />
<strong>Chl</strong> b FL<br />
<strong>Chl</strong> a ABS<br />
13500 14000 14500 15000 15500 16000 16500<br />
<strong>Chl</strong> b ABS<br />
Energy [cm -1 ]<br />
<strong>Chl</strong> a FL<br />
13500 14000 14500 15000 15500 16000 16500<br />
Energy [cm -1 ]<br />
SL 2008/2009<br />
energy transfer between <strong>Chl</strong> a and<br />
<strong>Chl</strong> b takes place in both directions<br />
with comparable efficiency<br />
chl a+b<br />
600 620 640 660 680 700 720 740<br />
Wavelength [nm]<br />
SL 2008/2009<br />
Intensity<br />
Intensity<br />
<strong>Chl</strong> b FL<br />
13500 14000 14500 15000 15500 16000 16500<br />
Energy [cm -1 ]<br />
Przekaz energii<br />
<strong>Chl</strong> a ABS<br />
2<br />
9000(ln10)<br />
κ Φ<br />
r)<br />
= 5 4<br />
128π<br />
N n τ R<br />
Intensity<br />
D<br />
kT ( 6 ∫ D<br />
0<br />
A D<br />
∞<br />
<strong>Chl</strong> b ABS<br />
Förster transfer times<br />
<strong>Chl</strong> a FL<br />
13500 14000 14500 15000 15500 16000 16500<br />
Energy [cm -1 ]<br />
4<br />
F ( λ)<br />
ε ( λ)<br />
λ dλ<br />
k F AB = 47 (ps)-1 k F BA = 31 (ps)-1<br />
600 620 640 660 680 700 720<br />
Pojedyncze kompleksy<br />
Intensity<br />
600 620 640 660 680 700 720<br />
Intensity<br />
SL 2008/2009<br />
600 620 640 660 680 700 720<br />
SL 2008/2009
Occurence<br />
20<br />
10<br />
Intensity<br />
Pojedyncze kompleksy<br />
<strong>Chl</strong> a/b-N-PCP<br />
600 620 640 660 680 700 720<br />
Wavelength [nm]<br />
<strong>Chl</strong> a/b-N-PCP<br />
0<br />
0 1 2 3 4<br />
<strong>Chl</strong> a/<strong>Chl</strong> b intensity ratio<br />
Pytanie<br />
Occurence<br />
30<br />
20<br />
10<br />
<strong>Chl</strong> a/b-N-PCP<br />
<strong>Chl</strong> b intensity<br />
<strong>Chl</strong> a intensity<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
Fluorescence intensity [arb. units]<br />
intensity ratio between<br />
<strong>Chl</strong> a and <strong>Chl</strong> b:<br />
1.9<br />
czy istnieją sposoby wpływania na własności<br />
optyczne układów fotosyntetycznych?<br />
Absorption<br />
400 500 600 700<br />
Wavelength [nm]<br />
<strong>Chl</strong> a-N-PCP<br />
T=300K<br />
absorption<br />
fluorescence<br />
Absorption<br />
native LH2<br />
T=300K<br />
400 500 600 700 800 900 1000<br />
Wavelength [nm]<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009<br />
Ścieżki przekazu energii<br />
energy transfer pathways<br />
P. Arger, et al. Phys. Rev. Lett. 2006<br />
Zasadnicza idea<br />
Per – to – <strong>Chl</strong> energy<br />
transfer (T. Polivka, et al.,<br />
Photosyn. Res. 2005)<br />
k Per-<strong>Chl</strong>a = (3.55 ps) -1<br />
k Per-<strong>Chl</strong>b = (9.4 ps) -1<br />
excitation distribution:<br />
equilibrium: 1.3<br />
Monte Carlo: 1.7<br />
experiment: 1.9<br />
SM, S. Wörmke, et al., Biophys. J. 93 (2007) 3249<br />
SL 2008/2009<br />
the presence of metal nanostructure<br />
in the vicinity of an emitting dipole strongly<br />
affects the optical properties of a fluorophore<br />
γ<br />
0 M<br />
exc γexc<br />
with no metal<br />
γ<br />
0<br />
r<br />
γ<br />
0<br />
nr<br />
M<br />
γr<br />
M<br />
γnr γabs<br />
SL 2008/2009
Zasadnicza idea<br />
Teoria<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009<br />
quantum yield<br />
radiative decay<br />
excitation rate<br />
Teoria<br />
Zasadnicza idea<br />
P. Arger, et al. Phys. Rev. Lett. (2006)<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009
T. Pons, et al. Nano Lett. 2007<br />
energy transfer from NC to NP leads<br />
to decrease of the fluorescence<br />
and faster decay of the emission<br />
(<strong>Chl</strong> a) 2 -N-PCP, emission @ 672 nm<br />
Tłumienie emisji<br />
PCP + Au NPs<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009<br />
PCP + Au NPs<br />
(ac-<strong>Chl</strong> a) 2 -N-PCP, emission @ 692 nm<br />
(<strong>Chl</strong> b) 2 -N-PCP, emission @ 651 nm<br />
PCP + Au NPs<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009
J. Lee, et al. Angew. Chemie Int. Ed. 2006<br />
increase of NW absorption<br />
due to plasmonic excitations<br />
in Ag nanoparticles<br />
PCP + Au NPs<br />
Fluorescence intensity<br />
Wzmocnienie emisji<br />
T=300 K<br />
λ EX =532 nm<br />
(<strong>Chl</strong> b) 2 -N-PCP<br />
(<strong>Chl</strong> a) 2 -N-PCP<br />
(ac<strong>Chl</strong> a) 2 -N-PCP<br />
600 630 660 690 720 750<br />
Wavelength [nm]<br />
strongest quenching occurs<br />
for <strong>Chl</strong> b – reconstituted N-PCP<br />
due to largest overlap with<br />
the absorption of Au colloid<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009<br />
J. Lee, et al. Nano Lett. 2004, Nat. Materials 2007<br />
stimulation of photon emission<br />
by electromagnetic field generated<br />
through plasmons excited in Au NPs<br />
Wzmocnienie emisji<br />
Wzmocnienie emisji<br />
cząstki metaliczne + nanokryształy półprzewodnikowe<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009
J. Lakowicz, et al. Analytical Biochem. 2002<br />
K. Ray, et al. J. Am. Chem. Soc. 2006<br />
Własności optyczne<br />
Wyspy srebrne (SIF)<br />
wzrost intensywności fluorescencji<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009<br />
K. Ray, et al. J. Am. Chem. Soc. 2006<br />
Glass<br />
SIF<br />
Wzmocnienie emisji<br />
Pojedyncze nanokryształy + SIF<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009
AFM<br />
wyspy o średnicach od 70 do 140 nm<br />
i wysokości około 30-40 nm<br />
Relative Intensity<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
Wyspy srebrne<br />
Absorption (arb. units)<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
SIF layer on glass coverslip<br />
0,0<br />
300 400 500 600 700 800<br />
Wavelength (nm)<br />
PCP na wyspach srebrnych<br />
(c)<br />
PCP ensemble<br />
T=300 K<br />
λ EX =532 nm<br />
0,4<br />
/ PCP on glass<br />
/ PCP on SIF<br />
0,2<br />
0 10 20 30<br />
Time (s)<br />
10<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0<br />
2<br />
T=300 K<br />
λ =530 nm<br />
EX<br />
Time (ns)<br />
wzrost intensywności fluorescencji<br />
spowodowany większą absorpcją światła<br />
przez kompleks fotosyntetyczny<br />
Intensity<br />
10 5<br />
10 4<br />
10 3<br />
PCP on SIF<br />
PCP on glass<br />
SL 2008/2009<br />
SM, S. Wörmke, et al.,<br />
Nano Lett. 8 (2008) 558<br />
SL 2008/2009<br />
Fluorescence (arb. units)<br />
Fluorescence (arb. units)<br />
10<br />
5<br />
0<br />
18<br />
15<br />
12<br />
9<br />
6<br />
3<br />
0<br />
PCP on SIF<br />
PCP on glass<br />
PCP on glass x 6<br />
PCP ensemble<br />
T=300 K<br />
λ EX =532 nm<br />
PCP na wyspach srebrnych<br />
600 650 700<br />
PCP on SIF<br />
PCP on glass<br />
PCP on glass x 8.5<br />
PCP ensemble<br />
T=300 K<br />
λ EX =632 nm<br />
600 650 700<br />
Wavelength (nm)<br />
(a)<br />
(b)<br />
λ λexc =532 nm<br />
exc =632 nm<br />
γ γ q<br />
Per <strong>Chl</strong><br />
exc exc<br />
γ ET<br />
silny wzrost intensywności emisji<br />
dla kompleksów PCP znajdujących<br />
się w pobliżu srebrnych wysp<br />
PCP na wyspach srebrnych<br />
Field Enhancement Factor<br />
100<br />
10<br />
R NP =40 nm<br />
∆=4 nm<br />
λ ex<br />
Ag<br />
300 350 400 450 500 550 600 650 700<br />
Wavelength (nm)<br />
∆<br />
d<br />
λ emiss<br />
SM, S. Wörmke, et al.,<br />
Nano Lett. 8 (2008) 558<br />
SL 2008/2009<br />
SM, S. Wörmke, et al.,<br />
Nano Lett. 8 (2008) 558<br />
SL 2008/2009
Pojedyncze kompleksy PCP<br />
rozkład wielkości wysp srebrnych, odległości między wyspami<br />
i kompleksami PCP, a także ich wzajemnej orientacji<br />
Plany<br />
SL 2008/2009<br />
nanodrut Ag + pojedyncze kompleksy PCP<br />
SL 2008/2009<br />
Occurence<br />
Fluorescence (arb. units)<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
9<br />
6<br />
3<br />
0<br />
PCP on SIF surface<br />
PCP on glass<br />
single PCP complexes<br />
T=300 K<br />
λ EX =532 nm<br />
600 650<br />
Wavelength (nm)<br />
700<br />
PCP on SIF, =540<br />
PCP on glass, =90<br />
Pojedyncze kompleksy PCP<br />
T=300 K<br />
λ EX =532 nm<br />
0<br />
0 500 1000 1500<br />
Fluorescence intensity<br />
(b)<br />
(a)<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Occurence<br />
Occurence<br />
16<br />
12<br />
8<br />
4<br />
PCP on SIF surface<br />
T=300 K<br />
λ EX =532 nm<br />
Przekaz energii<br />
0<br />
665 670 675 680<br />
Wavelength (nm)<br />
wzmocnienie fluorescencji układu<br />
biologicznego pod wpływem<br />
oddziaływania z cząstką metalu<br />
(c)<br />
SM, S. Wörmke, et al.,<br />
Nano Lett. 8 (2008) 558<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009
cząstki<br />
metaliczne<br />
Przekaz energii<br />
Przekaz energii<br />
hetero-<strong>Chl</strong><br />
PCP<br />
Occurence<br />
Fluorescence<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
SIF<br />
av=1,8<br />
sd=0,2<br />
<strong>Chl</strong> a-N-PCP<br />
<strong>Chl</strong> glass b-N-PCP<br />
<strong>Chl</strong> a/b-N-PCP<br />
0600<br />
650 700 750<br />
1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6<br />
<strong>Chl</strong> a/<strong>Chl</strong> b intensity ratio<br />
Wavelength [nm]<br />
av=3,3<br />
sd=0,1<br />
SL 2008/2009<br />
SL 2008/2009<br />
Przekaz energii<br />
Inne sposoby<br />
nanokryształy kompleksy fotosyntetyczne<br />
native LH2<br />
T=300K<br />
SL 2008/2009<br />
400 500 600 700 800 900 1000<br />
<strong>Chl</strong> a-N-PCP<br />
T=300K<br />
400 500 600 700<br />
SL 2008/2009
Change language