天然光合四吡咯大环化合物的低温吸收与荧光光谱数据库：光谱解析与光合作用机制研究

本文系统收录了12种天然光合四吡咯大环化合物在77 K低温下的吸收与荧光光谱数据，填补了低温光谱数据库的空白。通过对比室温（293 K）与低温条件下光谱特征差异，揭示了分子振动、溶剂效应及取代基对斯托克斯位移（Stokes shift）和Qy/B带强度比的影响，为光合色素-蛋白复合体（如FMO、LH）的能级重构、振动分析及能量转移（FRET）计算提供了关键参考。

　　

引言

光合作用的核心色素——叶绿素（Chl）和细菌叶绿素（BChl）通过四吡咯大环结构实现光能捕获与转化。根据大环不饱和度可分为三类：卟啉型（如Chl c₂）、二氢卟啉型（Chl a/b/d/f及BChl c/d/e/f）和四氢卟啉型（BChl a/b/g）。低温（77 K）光谱能显著减少非均匀展宽，揭示分子本征振动特征，但现有数据分散且缺乏系统性。

材料与方法

研究选取12种天然色素，从蓝细菌（如Acaryochloris marina）、紫细菌（Rhodobacter sphaeroides）等生物中提取，经高效液相色谱（HPLC）纯化后溶解于2-甲基四氢呋喃（2-MTHF）形成透明玻璃态。使用紫外-可见分光光度计和荧光仪分别测定吸收与发射光谱，精度达±0.5 nm，斯托克斯位移误差<30 cm^?1。

结果

溶剂选择：2-MTHF在77 K下能抑制色素聚集（如Chl a的700 nm聚集峰），但Chl c₂需添加乙醇助溶。

光谱特征：

• 卟啉型：Chl c₂的Soret带（468 nm）强度为Q_y带（640 nm）的10倍，荧光显示强振动伴峰（705 nm）。

• 二氢卟啉型：低温使Chl a的Q_y带红移7 nm（662→669 nm），斯托克斯位移减半（158→76 cm^?1）；Chl f因甲酰基（F）和乙烯基（V）共存，位移最大（292 cm^?1）。

• 四氢卟啉型：BChl a的Q_y/B带强度比增至2.27，荧光峰（787 nm）与吸收带（775 nm）能差达197 cm^?1。

讨论

数据价值：低温光谱可重构光合复合体（如FMO）吸收谱，辅助振动模式解析。例如，BChl c/d的极小斯托克斯位移（23 cm^?1）暗示其高效能量传递（FRET）潜力。

文献挑战：现有数据库多关注室温数据，低温谱图检索困难——Chl b的77 K荧光数据仅见于聚集态研究，而BChl g的吸收谱尚未报道。

应用前景：数据已纳入PhotochemCAD平台，支持光合机制研究与人工光系统设计。

结论

本研究建立的低温光谱库为光合色素能级工程、生物激发材料开发提供了基准数据，尤其对近红外色素（如BChl b，吸收801 nm）的器件应用具有指导意义。未来需扩展至极端条件（如4.5 K）及蛋白结合态光谱的整合分析。