Studies of fundamental properties of chlorophyll molecules using steady state fluorescence anisotropy and two-dimensional electronic spectroscopy

Abstract

The purpose of this study is two-fold: first to validate previous findings, that showed that the central atom in (bacterio)chlorophyll changes ligand coordination number upon being cooled at a certain rate (in certain solvents), and to resolve the Qx and Qy bands from the total absorption spectrum. We studied bacteriochlorophyll A (BChl A), bacteriochlorophyll C (BChl C), and chlorophyll A (Chl A) in 1-propanol and 2-propanol at room temperature, and at 115 K, by fluorescence measurements. We have successfully resolved the Qx and Qy bands of BChl A, BChl C and Chl A (in both solvents) and have shown that there is indeed a large spectral difference in the absorbance spectra between chromophores solvated in 1-propanol or 2-propanol (when they are cooled at a slow rate). In 1-propanol the chromophores exhibit a large band structure change accompanied by a shift of the Qx band, while in 2-propanol no such change is observed for either system in the absorbance spectra. The second part of the study was to show, through coherent two-dimensional spectroscopy (2DES) how the energy states of bacteriochlorophyll A, in a 1:1 ethanol:methanol mixture, correlate and couple to each other; whether or not there is vibronic coupling; and whether there are any population dynamics occurring between the energy states. A population decay was observed during the first 600 fs, attributed to vibrational relaxation within the Qy electronic manifold. The vibrational and vibronic coherences observed in the 2DES experiment correspond well to previous reports where vibrational modes were studied using resonance Raman (RR) spectroscopy. Coherent superposition of vibrational states were seen to oscillate with the frequencies υ1 = 560 cm-1, υ2 = 730 cm-1, υ3 = 1180 cm-1. Oscillation signals were analyzed in comparison to published theoretical predictions for model vibrational and electronic systems.

Popular Abstract (Swedish)

Människor har att tacka fotosyntesen för sin existens. Fotosyntesen sker inuti bladen hos högt stående växter, alger, samt hos vissa mikroorganismer (t ex gröna svavelbakterier, cyanobakterier, etc). Fotosyntesens första steg involverar uppfångandet av ljus och överförandet av dess energi till något som kallas reaktionscentrat. Processen involverar en molekyl som kallas (bakterie)klorofyll. Där finns olika typer av (bakterie)klorofyll men vi har koncentrerat oss på bakterieklorofyll A, och –C, samt klorofyll A. För att kunna studera vissa av dessa processerna så behöver man ha tillgång till systemet (molekylen vi undersöker är vårt ’system’) på femtosekund (10-15 sekunder) skala. Med hjälp av en mätmetod som heter koherent två-dimensionell (2D) spektroskopi så kan man få information om vad som händer med energin, eller ’energipaketet’, de första tusen femtosekunderna. Vi har även undersökt hur klorofyllens absorptionsspektrum kan delas upp utifrån bidraget från varje övergångsdipolmoment. Analysen utförs genom att utnyttja den relativa vinkeln mellan de två dipolmoment som är involverade i ljusabsorption och emission, metoden kallas för fluorescens anisotropi.

I detta projektet utnyttjade vi några egenskaper som ljuset har för att utföra våra två studier. Vi börjar med 2D spektroskopin. Vad är koherent? Koherent ljus (som produceras av lasrar) innebär att ljusvågorna (eller fotonerna när man tänker på ljus som partiklar istället) har en konstant fasrelation till varandra, vilket innebär att de är synkroniserade på ett förutsägbart sätt, över en viss tid. När man delar upp pulserna från lasrar i fyra delar och låter dessa infalla på provet så kan man läsa av hur molekylen reagerar när den tar upp (absorberar) ljus, och vad som händer med den absorberade energin inuti molekylen. Med hjälp av liknande studier kan man utveckla t ex bättre solceller, LED ljus, batterier, eller som i vårt fall försöka kartlägga hur energin rör sig i klorofyllen.

Vi upptäckte att bakterieklorofyll A, upplöst i lika delar etanol och metanol, relaxerar ner till grundstadiet från sina exiterade vibrationella stadier över ca 600 fs. Vi lyckades även att visa hur stor energiskillnaden var mellan olika kvantstadier och att dessa vibrerade med en viss frekvens som korresponderade väl till de vibrationella moder som har tidigare uppmätts av andra (med hjälp av andra mätmetoder, som t.ex. Raman-spektroskopi), samt att där finns en vibronisk (vibrationell och elektronisk) koppling mellan kvantstadierna.

Andra delen av projektet involverar inte lasrar, utan ljus från en xenonlampa istället. När ljuset inte är i form av pulser så kallar vi det för kontinuerligt ljus. Det kontinuerliga ljuset låter vi gå igenom ett medium som selekterar vissa fotoner, med vissa egenskaper (t ex en viss orientering av polarisering), över andra (opolariserade, eller polariserad på ett annat håll). Vad är polarisering? Polarisering säger hur fotonernas elektriska fält oscillerar relativt dess spatiala riktning (ljuset kan t ex vara polariserat vertikalt, horisontellt, eller cirkulärt). Ljuset med rätt polarisering kan absorberas av molekylen, och efter en viss tid så emitterar molekylen ljus för att återgå till det ursprungliga (grund) stadiet den befann sig i innan den absorberade ljuset. När ljuset emitteras från vad som kallas ett singlet stadie så talar vi om fluorescence, när ljuset emitteras från ett triplet stadie så kallas det phosphorescence. Vi är intresserade av hur mycket ljus som tas upp beroende på vilken polarisering ljuset har, och vilken polarisering den har då molekylen emitterar ljuset igen. Genom att jämföra intensiteterna (mängden ljus) med olika polariseringar så kan man beräkna vad dipolmomenten har för relativ vinkel till varandra och även vilka dipolmoment som bidrar till respektive del av absorptionsspektrumet. I vår studie lyckades vi visa vilka dipolmoment som bidrog till vilka delar av excitationsspektrumet och vi lyckades även ’kartlägga’ bidraget till det totala absorptionsspektrumet.

• author: Christea, Alexander
• supervisor: Donatas Zigmantas; Erling Thyrhaug
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMR19 20242
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: chemical physics, ultrafast dynamics, 2DES, two-dimensional, 2D, spectroscopy, fluorescence, anisotropy, femtosecond, chlorophyll, bacteriochlorophyll
• language: English
• id: 9202750
• date added to LUP: 2025-07-01 09:51:57
• date last changed: 2025-07-01 09:51:57