High-Resolved Spectroscopy of bacterichlorophyll aggregates

• Thesis title in English: High-Resolved Spectroscopy of bacterichlorophyll aggregates
• Key words: hole-burning spectroscopy, fluorescence line-narrowing, multidimensional spectroscopy, photosynthetic antennae, bacteriochlorophyll, excitation quenching
• English key words: hole-burning spectroscopy, fluorescence line-narrowing, multidimensional spectroscopy, photosynthetic antennae, bacteriochlorophyll, excitation quenching
• Academic year of topic announcement: 2012/2013
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Chemical Physics and Optics (32-KCHFO)
• Supervisor: doc. RNDr. Roman Dědic, Ph.D.
• Advisors: prof. RNDr. Jan Hála, DrSc.

Guidelines

1.seznámení se s metodami nízkoteplotní spektroskopie vysokého rozlišení (hole-burning, fluorescence line-narrowing, 2D optical spectroscopy)
2.seznámení se s fotosyntetickými procesy ve světlosběrných komplexech především zelených fotosyntetických bakterií
3.zvládnutí práce s fotosyntetickými pigmenty a přípravy jejich umělých agregátů
4.využití metod nízkoteplotní spektroskopie vysokého rozlišení ke studiu těchto agregátů a odpovídajících přírodních systémů

References

[1]AMESZ, J. – HOFF, A. J. (Ed.). Biophysical Techniques in Photosynthesis. 3 / Advances in Photosynthesis and Respiration. Dordrecht : Kluwer Academic Publishers, 1995. doi: 10.1007/0-306-47960-5. ISBN 978-0-7923-3642-6.
[2]MUKAMEL, S. Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy. 6 / Oxford Series in Optical and Imaging Sciences. New York : Oxford University Press, 1995.
[3]FRIEDRICH, J. – HAARER, D. Photochemical Hole Burning: A Spectroscopic Study of Relaxation Processes in Polymers and Glasses. Angewandte Chemie International Edittion. 1984, 23, 2, s. 113–140. doi: 10.1002/anie.198401131.
[4]BLANKENSHIP, R. E. Molecular Mechanisms of Photosynthesis. Oxford : Blackwell Science, 2002. ISBN 0-632-04321-0.
[5]MAY, V. – KÜHN, O. Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems. Weinheim : Wiley-VCH, 2 edition, 2004. ISBN 3-527-40396-5.
[6]BRABEC, C. J. et al. (Ed.). Organic Photovoltaics: Concepts and Realization. Dordrecht, The Netherlands : Springer, 2003. ISBN 978-3540004059.
[7]GRIMM, B. – PORRA, R. J. – RÜDIGER, W. (Ed.). Chlorophylls and Bacteriochlorophylls. Biochemistry, Biophysics, Functions and Applications. 25 / Advances in Photosynthesis and Respiration. Dordrecht : Springer, 2006. ISBN 978-1-4020-4515-8.
[8]BLANKENSHIP, R. E. – MADIGAN, M. T. – BAUER, C. E. (Ed.). Anoxygenic Photosynthetic Bacteria. 2 / Advances in Photosynthesis and Respiration. New York : Kluwer Academic Publishers, 2004. doi: 10.1007/0-306-47954-0. ISBN 0-306-47954-0.

Preliminary scope of work

Světlem poháněné fotosyntetické pochody začínají zachycením kvanta záření v komplexu fotosyntetických pigmentů zvaném fotosyntetická anténa, jehož úkolem je přenést excitační energii do reakčního centra, kde dochází k primární fotochemické reakci. Během evoluce si fotosyntetické systémy vyvinuly řadu mechanismů, jak tuto energii přenést velmi účinně do reakčního centra nebo ji bezpečně disipovat v případě nadměrné ozářenosti. Jednou z cest k moderní fotovoltaice a molekulární elektronice je i příprava tzv. umělé fotosyntézy. Umělá fotosyntetická anténa vyžaduje pro své fungování obdobné vlastnosti jako anténa přírodní. Zvláště vhodné se proto jeví samoorganizující se agregáty bakteriochlorofylů, které napodobují světlosběrné komplexy zelených bakterií. Výhodou umělých agregátů je možnost ladění pigmentového složení, čímž lze najít umělé antény s lepšími vlastnostmi než mají antény přírodní, např. spektrálně širší absorpcí. Pro výzkum přenosu excitační energie v takových umělých agregátech bude využito moderních metod spektroskopie vysokého rozlišení, především nepřímé metody určování dob života excitovaných stavů — hole-burning spektroskopie, a technik fluorescence line-narrowing a 2D optické spektroskopie. Práce bude řešena ve spolupráci s universitou v Lundu. Předpokládané znalosti uchazeče na úrovni ukončeného magisterského studia v oboru biofyzika a chemická fyzika.

Preliminary scope of work in English

The light-driven processes in photosynthesis start by a capture of photon in the complexes of photosynthetic pigments known as photosynthetic antennae. The role of the antennae is to transfer the excitation energy to the reaction centre, where the primary photochemical reaction occurs. During evolution, photosynthetic systems have developed a wide range of mechanism to efficiently transfer the energy to the reaction centre or to safely dissipate it in the case of excess irradiation. Artificial photosynthetic antennae represent a path leading towards modern photovoltaics and molecular electronics. The artificial antennae require similar properties as the natural one for its efficient operation. Due to this fact, self-organizing aggregates of bacteriochlorophylls, mimicking light-harvesting antennae of the green photosynthetic bacteria, make a promising candidates. The possibility to tune the pigment composition of the artificial aggregates to obtain even better properties, such as wider absorption spectrum, compared to the natural ones represents their main advantage. The processes of excitation energy transfer and quenching in such artificial aggregates will be investigated using methods of modern high-resolved spectroscopy, mainly indirect measurement of lifetimes of excited states of the pigments - hole burning spectroscopy, as well as fluorescence line-narrowing and 2D optical spectroscopy. The research will be done in cooperation with Lund University in Sweden. Successful graduation of master programs in biophysics, chemical physics, or equivalent is required.