Spectroscopic Investigations of Natural and Artificial Light Collection Systems

Nowak, Julia

doi:10.24355/dbbs.084-202406241119-0

Published

Spectroscopic Investigations of Natural and Artificial Light Collection Systems

English
German

In this work, natural and artificial light harvesting systems were investigated. In natural light harvesting the non-photochemical quenching (NPQ) process was studied in detail, in which carotenoids (Car) and chlorophylls (Chl) play crucial roles. Car’s interaction with Chl has been investigated previously using a combination of one- and two-photon excitation (OPE, TPE). A comparison between isolated Car and Chl spectra with those of light-harvesting complexes (LHC) revealed that both contribute to the TPE spectra of the complexes. Based on these findings, a new method was developed to quantify the coupling between the optically dark state of Cars and the Chl S₁ state from TPE fluorescence spectra. This eliminates the need for complex calibration between OPE and TPE and thus offers a simple and faster route to Car S₁−Chl coupling in photosynthetic complexes. To assess the efficacy of the novel method, TPE measurements were conducted on LHC II sample, which were subjected to artificial quenching conditions by dissolving them in buffers with decreasing pH levels. Despite employing only two wavelengths of TPE (1050 nm for Car and 1200 for Chl), a notable increase in Car S₁−Chl coupling was observed. Subsequently, efforts were made to expand the measurements to plant leaves. Unfortunately, meaningful results could not be obtained. In addition, fluorescence lifetime analysis was conducted on the plant leaves. NPQ was induced using an external light source in this case. Four distinct measurement phases were examined: (dark adapted, open reaction centers (RC); dark adapted, closed RC; NPQ, open RC; - NPQ, closed RC.) Apart from the wild-type Arabidopsis thaliana variant, measurements were also performed on two mutants. The NPQ4 mutant exhibits a low PsbS concentration, whereas the L17 mutant expresses elevated levels of PsbS. When compared with the mutants, it was observed that PsbS leads to a reduction in fluorescence lifetime during phase 4 (NPQ, closed RC). Moreover, insights gained from natural LHCs may drive further advancements in artificial light collection. In this work, additional investigations were conducted based on a biomimetic light harvesting system, which is inspired from the light-harvesting complexes of photosynthesis and utilizes a dye system comprising donors and acceptors. The theoretically calculated efficiencies using ALBRECHT’s ray tracer software were validated through experimentation with the prototype. The prototype model primarily served to validate the results of the software. The theoretical framework was further employed to find the optimal concentration for other donor/acceptor pairs. Furthermore, efforts were made to explore variations in the polymer matrix and using PVB instead of PVA. Previous studies had focused on aligning dyes within PVA.

In dieser Arbeit wurden natürliche und künstliche Lichtsammelsysteme untersucht. Bei dem natürlichen Lichtsammelsystemen (LHC) wurde insbesondere der NPQ (nicht-photochemisches quenching) Prozess untersucht, bei denen Carotinoide (Car) und Chlorophylle (Chl) eine wichtige Rolle spielen. Die Interaktion zwischen den Pigmenten wurden bisher mit einer Kombination aus ein-photonen und zwei-photonen Anregung untersucht. Allerdings zeigten neuste Erkenntnisse, dass in LHCs beide Pigmente zu den Zwei-Photonen-Spektren beitragen. Basierend auf dieser Erkenntnis, wurde eine neue Methode zur Quantifizierung von Car S₁−Chl Kopplung in photosynthetischen Komplexen entwickelt. Zum Testen dieser Methode wurden Lichtsammelkomplexe, welche durch eine Veränderung des pH wertes gequencht wurden untersucht. Es konnte ein Anstieg der Car S₁−Chl Kopplung beobachtet werden, obwohl für die Messung nur zwei unterschiedliche Wellenlängen genutzt wurden (1050 nm für Car, 1200 nm für Chl). Es wurde zu dem versucht Pflanzenblätter von Arabidopsis thaliana zu vermessen. Das Quenching wurde bei den Pflanzen durch eine externe Lichtquelle induziert. Zusätzlich wurden Fluoreszenzlebenszeiten in Pflanzenblättern gemessen. Dabei wurden vier verschiedene Phasen untersucht (Dunkel oder Helladaptiert mit offenen und geschlossenen Reaktionszentren). Zusätzlich zur Wildtypvariante wurden zwei Mutanten vermessen, welche sich auf die PsbS expression auswirken. Ist die Pflanze helladaptiert und die Reaktionszentren geschlossen, bewirkt PsbS eine Verkürzung der Fluoreszenzlebenszeiten.
Die Erkenntnisse welche durch die Forschung in natürlichen Lichtsammelsystemen gewonnen werden, können zukünftig für die Verbesserung von künstlichen Lichtsammelsystemen genutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prototyp für ein biomimetisches Lichtsammelsystem entwickelt, welche auf der Idee des natürlichen Lichtsammelkomplexen basiert. Donoren transferieren Energie strahlungslos auf ausgerichtete Akzeptoren. Dadurch werden intrinsische Verluste wie Reabsoption und der Fluchtkegelverlust von klassischen lumeszierenden Solarkonzentratoren verringert. Das System wurde in ein Prototyp eingebettet, welcher zusätzlich mit einer RayTracer Software analysiert wurde. Die erreichten Effizienzen zwischen theoretischen Berechnungen und experimentellen Ergebnissen stimmten überein. Zusätzlich wurde eine weitere mögliche Polymermatrix zur Verwendung für das biomimetische Lichtsammelsystems und auf Ausrichtungsmöglichkeit getestet.