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新型捕光天线

时间：2011-12-7 09:06作者：光电人阅读(2052) 评论: 0

导读：华盛顿大学圣路易斯分校（Washington University in St. Louis）光合天线研究中心（PARC：Photosynthetic Antenna Research Center）的科学家，正在研究天然生物光合系统，制成的混合物结合了天然和合成成分，也制作 ...

华盛顿大学圣路易斯分校（Washington University in St. Louis）光合天线研究中心（PARC：Photosynthetic Antenna Research Center）的科学家，正在研究天然生物光合系统，制成的混合物结合了天然和合成成分，也制作出完全合成成分，模拟天然系统。

有一个小组刚刚成功制成一种关键的光合系统成分，就是捕光天线，他们是从零开始制作的。这种新的天线模仿了绿菌中发现的绿色体（chlorosome）。

绿色体是大团色素分子。它们也许是自然界最壮观的捕光天线，可以让绿菌进行光合作用，即使在海洋深处微弱的光照下，也可以进行。

杜威•霍尔滕（Dewey Holten）博士是艺术与科学学院的化学教授，合作者克里斯汀•科迈尔（Christine Kirmaier）博士是化学研究教授，他们都属于一个小组，正在努力制作合成绿色体。霍尔滕和科迈尔使用超快激光光谱仪和其他分析技术，跟踪光合作用中的速射能量转移（rapid-fire energy transfers）。

他们小组的最新成果已被介绍，就在最近一期的《新化学杂志》（New Journal of Chemistry）上。

这些天线包含高度组织化的立体系统，有多达25万个色素分子可以吸收光线，并通过漏斗，使阳光能量穿过色素/蛋白复合物，这种复合物称为基板，光能量传送到反应中心，在那里它会触发化学反应，最终产生三磷酸腺苷（ATP：Adenosine Triphosphate）。

绿菌中的光合系统包含一个称为绿色体的捕光天线和一个反应中心。硕士吸收的光能量转移到反应中心（红色），这要通过一种蛋白-色素天线复合物，就是所谓的基质（黄金）。天线（绿色）是由聚集成杆状的色素分子组成。
来源：华盛顿大学

大自然提供了三个出发点，可用于设计人工合成色素：就是卟啉，氯，和绿菌。其中，每个大环化合物都有一个双键交替路径（蓝色），它赋予分子基本的电子特性，包括可以吸收可见光或近红外光。血红蛋白是一种卟啉，它使血液呈红色；叶绿素就是绿色植物中的色素，它是氯；而紫色光合细菌中的色素是绿菌。这种彩色编码的吸收光谱显示，三种类型的色素会吸收太阳光中的不同颜色（棕色）。
来源：华盛顿大学

在极性溶剂（洋红色）中，人工合成色素的吸收光谱阻止色素分子形成簇团，这种吸收光谱完全不同于非极性溶剂（蓝色）中的色素吸收光谱。这种区别表明，这些色素具有所需的“挂钩”，可在溶液中恰当地连接起来
来源：华盛顿大学

在最新的期刊论文中，对这项研究的目标做了介绍，就是要看看，合成色素分子是否可诱导进行自组装。这个过程中，色素要进行调整和键合，但研究得还不是很清楚。

“绿色体中色素团的结构是激烈争论的主题，”霍尔滕说，“有几个竞争模式。”

鉴于这种不确定性，科学家们就想研究色素分子的许多变化，看看是什么有益于成簇，什么不利于成簇。

化学家希望设计色素，模仿在光合生物中发现的那些色素，他首先制成三种分子框架中的一种。所有这三种都是大环化合物（macrocycles），或叫巨环：就是卟啉（porphyrin），氯（chlorin）和细菌叶绿素（bacteriochlorin）。

“乔恩•林德塞（Jon Lindsey）是我们小组的成员，他能合成类似物，模拟所有三种类型的色素，而且他是从头开始做的，” 霍尔滕说。林德赛博士是北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）葛兰素史克化学教授。

过去，化学家制作感光色素，通常首先要用卟啉，在三种类型的大环化合物中，它是最容易合成的。但是，林德塞也已经开发出一些方法，可以合成氯，氯是色素的基础，这些色素见于绿菌中的绿色体。氯可促进吸收红端可见光谱，这一段光谱科学家希望能够用来开发能源。

色素自组装的关键是金属原子和羟基（OH：hydroxyl），以及色素分子中的羰基（C = O：carbonyl）组，在上面的插图中，这一组显示为彩色。

博士生奥尔伽•马斯（Olga Mass）和同事在林德塞的实验室合成30种不同的氯。

这些色素在霍尔滕实验室和加州大学河滨分校（University of California at Riverside）大卫•波齐安（David Bocian）的实验室进行研究。

霍尔滕的实验室研究了它对光和荧光的吸收（这表明单体的存在，因为簇团通常不发荧光），而波齐安实验室研究其振动性质，这是取决于网状键合，这些键合存在于分子中，也存在于作为一个整体的色素团中。

在一个关键的测试中，霍尔滕实验室博士生约瑟夫•斯普林格（Joseph Springer）进行了比较，吸收光谱的色素在极性溶剂中，溶剂会阻止它成簇，光谱色素在非极性溶剂中，溶剂会使分子彼此互动，形成簇团。

“你可以看到它们的聚合，”斯普林格说。“一种色素完全在溶液中时，就是清晰的，但色调呈亮绿色。它们聚合起来时，溶液就变成暗绿色，而且你可以看到，在液体中有微小的斑点。”

吸收光谱表明，一些色素形成广泛簇团，分子的空间排列和电子性质，可以预测它们会在何种程度上聚集。

虽然这个项目集中研究自成簇，但是，帕洛阿尔托研究中心（PARC）的科学家已经迈出了的下一步，走向实用的太阳能设备。他说：“普拉提姆•比斯瓦斯（Pratim Biswas）博士是露西和斯坦利•罗帕塔教授（Lucy and Stanley Lopata Professor），也是能源、环境与化学工程系主任，我们那时就证明，我们可以让这些色素在表面上自行成簇，这是下一步。可以用它们设计太阳能装置，”霍尔滕说。

“我们不是要在未来6个月制作更高效的太阳能电池，”霍尔滕谨慎地说。“相反，我们的目标是形成基本认识，这样，我们可以实现下一代更高效的太阳能供电设备。”

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