In the field of photosynthesis research over the last decade, excitation energy transfer among electronic excited states of photosynthetic light harvesting complexes (LHCs) has been a hot topic of intense research over many years. In particular, it was recently proposed that quantum coherence creat-ed among the electronic excited states may be a key component in highly efficient energy transfer in photosynthetic LHCs, stimulating many experimental and theoretical studies towards revealing the mechanism of energy transfer. In this work, we investigate the dynamics of energy transfer in one of the photosynthetic LHCs, chlorosome, by applying pump-probe transient anisotropy and two-dimensional electronic spectroscopy (2D-ES). Chlorosomes are the most efficient photosynthetic light-harvesting complex (LHC) found in nature. Especially, in contrast to other pigment-protein LHCs consisting of a few pigments held in precise positions by a protein scaffold, chlorosomes consist of many bacteriochlo-rophyll (BChl) molecules self-assembled into supramolecular aggregates without the involvement of any protein. This unique composition allows the synthesis of artificial chlorosomes in vitro, making them a good candidate for the building blocks of artificial photosynthesis.
First, we applied pump-probe transient anisotropy to chlorosome at room temperature. The tran-sient anisotropy was obtained from polarization pump-probe signals measured with the polarizations of pump and probe pulses parallel and perpendicular to each other. The transient anisotropy exhibits an initial value of 0.30 and raplidly decays to 0.27 within 100 fs. The anisotropy decay was fit by a single exponential with the time constant of 25 fs. The ultrafast decay dynamics of transient anisotropy can be attributed to ultrafast downhill energy transfer within and/or among coherent domains in a BChl layer of chlorosome, which is in agreement with a recent theoretical study on model chlorosomes as well as an experimental study on chlorosomes using two-dimensional electronic spectroscopy.
Secondly, we elucidate the presence and the origin of coherent oscillations in chlorosome at cry-ogenic temperature using 2D-ES. We observe coherent oscillations of multiple frequencies superim-posed on the ultrafast amplitude decay of 2D spectra. Comparison of oscillatory features in the rephas-ing and nonrephasing 2D spectra suggests that an oscillation of 620 cm-1 frequency arises from elec-tronic coherence. However, this coherent oscillation can be enhanced by vibronic coupling with inter-molecular vibrations of BChl aggregate and thus it might originate from vibronic coherence rather than pure electronic coherence. Although the 620 cm-1 oscillation dephases rapidly, the electronic or vibron-ic coherence may still take part in the initial step of energy transfer, which is comparably fast, in chloro-some.
Furthermore, we have shown that 2D-ES at two different temperature can disentangle the com-plex energy relaxation dynamics among the manifold exciton states of chlorosome, while the conven-tional pump-probe 1-D spectroscopy only gives the projected information in excitation frequency. In addition, we have estimated the exciton delocalization length (EDL) in chlorosome based on the zero waiting time 2D spectra at 77 K and RT. The EDL of chlorosome at 77 K was obtained as ~ 5.1 while at RT was ~ 4.7 which is little shorter due to the increase of dynamics disorder at higher temperature. The overall peak broadening of 2D spectra of chlorosome in lower anti-diagonal directional which corre-sponds to the downhill energy relaxation in the manifolds of one-exciton states with τ = 36 fs and τ = 45 fs at 77 K and RT, respectively. For the further insight, by tracking the signal decay of points on main GSB and SE peak with 0.01 eV grid, we obtained a 2D distribution map of energy transfer rate. The rate becomes slower when the point get far from diagonal to anti-diagonal peak at both temperature. In con-trast, the energy transfer rate at diagonal points at RT show largely distributed from τ = 15 - 39 fs de-pending on the ωτ = ωt frequency, while at 77 K show nearly independent to the ωτ = ωt frequency with τ = ~ 23 fs. The temperature dependency in 2D spectrum change of diagonal position is because of the more thermal excited chlorosome at RT brings the faster uphill energy transfer than at 77 K and effec-tively slows down the downhill energy transfer toward the low-energy exciton states. However, this slow downhill energy transfer at higher temperature would help the exciton diffusion last longer among the coherent domains.
이차원 가시광 분광학은 기존 이차원 NMR 분광학의 가시광 영역으로의 확장으로써, 기존 일차원 분광학에서 한 단계 발전한 분광학 기법이다. 이차원 스펙트럼은 흡수와 방출하는 빛의 파장 (혹은 주파수)으로 2개의 축을 가지며 신호의 세기가 등고선 형태로 그려진다. 이때 대각위치가(diagonal, 흡광 파장 = 방출 파장) 아닌 비대각위치에서 (antidiago-nal, 흡광파장 ≠ 방출파장) 얻어지는 신호는 다른 준위간의 커플링, 에너지 전이 혹은 양자결맺음 등에 해당하는 정보를 직접적으로 제공해 줌으로써 복잡한 분자 시스템 혹은 용액상의 분자의 다이나믹스의 다양한 정보를 풀어낼 수 있게 된다.
자연에 존재하는 광수확 복합체는 광자에 의해 얻어진 여기 에너지를 매우 높은 효율로 최종 목적지에 전이시킨다. 이러한 높은 효율의 원리 밝혀 인공광합성 물질 혹은 다양한 전하 이동소재에 응용하고자 많은 연구가 이루어졌다. 근래 이차원 전기적 분광학 기술의 출범으로 인해 다양한 광수학 복합체내의 엑시톤의 전이과정에 양자결맺음이 연계되어 높은 효율을 얻게 될 수 있음이 실험과 이론연구를 통해 제시되어 학계의 많은 관심을 받았다. 이 논문에서는 다양한 광수학 복합체 중 자연에 존재하는 광수확 복합체 중 크기와 효율이 가장 높기로 알려진 클로로좀에 대한 에너지 전이 메커니즘을 펌프프로브 과도 비등방학과 이차원 가시광 (전기적) 분광학을 이용해 연구하였다.
첫 번째로 펌프프로브 과도 비등방학을 이용해 상온에서 클로로좀을 관측하였다. 과도 비등방 신호는 각기 서로 평행 혹은 수직된 편광의 펌프와 프로브 빛으로부터 펌프-프로브 신호를 측정하여 얻어낸다. 클로로좀에서 과도 비등방신호는 초기의0.30에서 이후 0.27 로 100펨토초 이내에 빠르게 감소함을 보였고 이를 단일 지수함수로 피팅을 하였을 때 25 fs 의 시간상수를 가짐을 보았다. 이 측정된 극고속 반감 다이나믹스는 BChl 의 단일층 내부의 근접한 결맺는 도메인간의 혹은 도메인안에서의 극고속 내리막 에너지 전이에 의한 것으로, 최근의 이론적 연구와 잘 맞아 떨어지는 결과이다.
두 번째로는 클로로좀 내의 결맺는 진동의 여부와 그 진위를 2차원 가시광 분광학을 이용해 연구하였다. 78K 의 저온에서 클로로좀은 크게 두 개의 주파수를 갖는 진동을 2차원 스펙트럼들 상에서 관측되었다. Rephasing과 nonrephasing 2차원 스펙트럼을 비교함으로써 620 cm-1 주파수의 진동은 전자준위 결맺음에 의한 것으로 관측되었다. 하지만 순수한 전자준위 결맺음으로 인한 것이 아닌 분자간의 진동에 의해 증강된 것인 vibronic 결맺음일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 620 cm-1 의 반감기는 매우 이른 시간 (~20 - 30fs)의 에너지 전이 다이나믹스보다 길기 때문에 초기의 에너지의 전이과정에 관여가 가능함을 보았다.
이차원 분광학을 이용한 관측은 더 나아가 상온과 저온에서의 온도 차에 따른 에너지 전이 다이나믹스 변화를 연구하였다. 그리고 이차원 분광학을 이용해서 엑시톤 비편재화 크기를 알아낼 수 있었다. 77K 에서는 클로로좀의 엑시톤 비편재화 크기가 ~5.1 개 인 반면 상온에서는 ~4.7 로 감소하였는데, 이는 높은 온도에서의 증가된 다이나믹 비정돈함 때문이다. 전반적인 2차원 스펙트럼의 넓어짐은 아래방향의 비대각 방향으로 진행되며 이는 내리막 에너지 전이로 인한것으로 77K 일때는τ = 36 fs 와 상온일때 τ = 45 fs를 보인다. 더 나아가 주요신호인 GSB 와 SE에 해당하는 영역대를 0.01 eV 간격으로 그 시간적 추이를 분석한 2차원 속도상수분포 지도를 얻을 수 있었다. 에너지 전이 속도가 대각위치에서 비대각위치로 갈수록 느려지는 것을 두 온도상에서 공통으로 관측이 되었다. 반면, 상온에서는 대각위치가 낮은 에너지에서 일수록 속도가 느려지며 그 전이의 시간상수는 15 - 39 fs 로 분포가 넓게 나타난다. 저온의 경우는 시간상수가 거의 일정하게 23 fs 로 대각위치에 상관없이 에너지 전이 일어남을 확인하였다. 이러한 온도차로 인한 에너지 준위에 따른 에너지 전이 속도 차이는 열적들뜬 클로로좀에서 오르막 에너지 전이가 낮은 엑시톤 준위에서 활발해 지기 때문이다. 하지만 다이나믹스가 느려져 보이는 것은 엑시톤 이동의 측면에서는 에너지우물에 갇히지 않고 더 오랫동안 이동을 할 수 있다는 점에서 상온이 더 유리하다는 결론을 얻을 수 있다.
