カロテノイド励起状態中の振動緩和と光合成系におけるエネルギー伝達の研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14340089
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 吉澤 雅幸 東北大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (60183993)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 橋本 秀樹 大阪市立大学, 大学院・理学研究科, 教授 (50222211)
• Keywords: カロテノイド / β-カロテン / リコペン / フェムト秒ラマン分光 / 10フェムト秒分光 / ^1B_u^-励起状態 / 振動励起状態 / 共役長

Research Abstract

吉澤(代表者)は、フェムト秒分光装置の改良およびカロテノイド緩和過程の測定を行った。分光装置の安定性を向上させるために、LD励起CWグリーンレーザーを購入した。さらに、光パラメトリック増幅装置(OPA)を製作して可視光領域で波長可変なフェムト秒光源とした。これらの改良により各種カロテノイド試料のフェムト秒分光を系統的に行う準備が整った。
吉澤はポリエン鎖長の異なるカロテノイドでは励起状態のエネルギーが異なることに着目して、橋本が調整した長さの異なる数種類のカロテン類についてフェムト秒吸収分光およびフェムト秒ラマン分光を行った。この結果、光励起された^1B_u^+励起状態から2^1A_g^-励起状態への緩和過程において^1B_u^-励起状態が重要な役割をもつという予測が裏付けられた。さらに、2^1A_g^-状態中の振動緩和に^1B_u^-状態が影響していることを初めて明らかにした。この成果は、米科学誌Phys. Rev. Bに投稿中である。
橋本(分担者)は、β-カロテンの純化およびそのアナログ体を合成して吉澤に供給した。さらに、平成15年度以後に必要とされる試料を大量合成(グラムスケール)する準備を行った。代表的なカロテノイド分子であるβ-カロテン及びリコペンについては、可視域において10フェムト秒以下、近赤外域において15フェムト秒のパルス幅を持つレーザーを用いてポンプ-プローブ過渡吸収分光測定を行うことにより、光励起により生成した^1B_u^+励起状態から2^1A_g^-励起状態への緩和を別の一重項励起状態(^1B_u^-状態?)が仲介することを世界で初めて実時間スケールで明らかにした。得られた成果を米科学誌サイエンスに発表した。

Research Products

• [Publications] M.Yoshizawa, H.Aoki, H.Hashimoto: "Femtosecond Time-Resolved Raman Signals on Ultrafast Dynamics in All-trans-β-Carotene"Bull. Chem. Soc. Jpn.. 75. 949-955 (2002)
• [Publications] M.Yoshimoto: "Vibrational relaxation of excited states in a series of carotenes with several polyene lengths"SPIE Proceedings of International Symposium on Optical Science and Technology. 4812. 15-23 (2002)
• [Publications] M.Yoshizawa, H.Aoki, M.Ue, H.Hashimoto: "Ultrafast Relaxation Kinetics in Mini-and Macro-Carotenes Investigated by Femtosecond Absorption and Raman Spectroscopy"Carotenoid Science. 6(印刷中). (2003)
• [Publications] H.Hashimoto, T.Yoda, T.Kobayashi, A.J.Young: "Molecular Structures of Carotenoids as Predicted by MNDO-AMl Molecular Orbital Calculations"J. Mol. Struct.. 604. 125-146 (2002)
• [Publications] G.Cerullo, D.Polli, G.Lanzani, S.De Silvestri, H.Hashimoto, R.J.Cogdell: "Photosynthetic Light Harvesting by Carotenoids : Detection of an Intermediate Excited State"Science. 298. 2395-2398 (2002)
• [Publications] D.Phillip, S.Hobe, H.Paulsen, P.Molnar, H.Hashimoto, A.J.Young: "The binding of xanthophylls to the bulk light-harvesting complex of photosystem II of higher plants : a specific requirement for carotenoids with a 3-hydrtoxy-β-end group"J. Biol. Chem.. 277. 25160-25169 (2002)