W naszym Zakładzie grupa kierowana przez prof. UAM dr. hab. Krzysztofa Gibasiewicza zajmuje się badaniami nad pierwotnymi procesami fotosyntezy oraz ich wykorzystaniem w prototypowych konstrukcjach ogniw słonecznych. Głównymi technikami wykorzystywanymi w laboratorium są metody spektroskopii optycznej (czasowo-rozdzielczej oraz stacjonarnej absorpcji i fluorescencji), elektrochemiczne oraz ich połączenie.
Badania podstawowe kompleksu PSI z różnych organizmów
Fotosystem I (PSI) jest fotosyntetycznym kompleksem białkowo-barwnikowym występującym w roślinach, glonach i sinicach. Współuczestniczy on wraz z fotosystem II (PSII) w napędzanym światłem transporcie elektronów z wody do NADP+, który jest następnie wykorzystywany do redukcji dwutlenku węgla do węglowodorów w niezależnej od światła fazie fotosyntezy. Większość barwników obecnych w kompleksie tworzy układy antenowe, które absorbują energię światła słonecznego i transportują ją w postaci wzbudzenia elektronowego do centrum reakcji, gdzie inicjowany jest proces rozdziału ładunków. Procesy transportu wzbudzenia i rozdziału ładunków zachodzą w pikosekundowej skali czasu, dlatego badamy je wykorzystując techniki ultraszybkiej czasowo-rozdzielczej spektroskopii optycznej, zarówno absorpcyjnej (pump-probe) jak i emisyjnej (TCSPC, kamera smugowa).
Badania podstawowe centrów reakcji bakterii purpurowych
Model dynamiki białka
Nasze badania dotyczą modelowego kompleksu białkowo-barwnikowego, jakim jest fotosyntetyczne centrum reakcji z bakterii purpurowej Rhodobacter sphaeroides, a dokładniej dwóch wybranych reakcji zachodzących w tym kompleksie w bardzo różnych skalach czasu: przeniesienia elektronu z cząsteczki pierwotnego donora na pierwotny akceptor zachodzącego w skali pikosekund oraz reakcji odwrotnej – przeniesienia elektronu z pierwotnego akceptora na pierwotny donor zachodzącego w skali nanosekund. Na podstawie najnowszych badań literaturowych należy przypuszczać, że obie te reakcje są mocno kontrolowane przez lokalną dynamikę białka. Korzystając z technik czasowo-rozdzielczej spektroskopii optycznej sprawdzamy, jak zmiana dynamiki białka w bezpośrednim otoczeniu pierwotnego donora i pierwotnego akceptora wpływa na stałe szybkości przenoszenia elektronu w dwóch badanych reakcjach. Stosujemy również modele matematyczne, które pozwalają odseparować procesy dynamiki białka od transportu elektronów i oszacować wartości molekularnych stałych szybkości obu tych procesów oddzielnie.
Stany tripletowe
Z wykorzystaniem nanosekundowej spektroskopii absorpcji przejściowej badamy transport energii stanu tripletowego w obrębie centrów reakcji bakterii purpurowych. Pozwoliło to na obserwację wcześniej nieopisywanego stanu tripletowego zlokalizowanego na bakteriofeofitynie i określenie jego czasu życia.
Zastosowanie białek fotosyntetycznych w fotowoltaice
Centra reakcji bakterii purpurowych
Centra reakcji (CR) bakterii purpurowych wykorzystywane są w naszej grupie w dwóch prototypowych konstrukcjach: 1) z wykorzystaniem TiO2 oraz 2) z wykorzystaniem hydrożeli. Pierwsza z konstrukcji wzorowana jest na konstrukcji ogniw uczulanych barwnikiem (ang. DSSC – Dye Sensitized Solar Cells). W układzie tym mezoporowata warstwa dwutlenku tytanu jest rusztowaniem dla białek które wstrzykują lub odbierają z niego elektrony (Rys. xxx). W drugiej konstrukcji rusztowaniem dla białek i przewodnikiem ładunków są usieciowione polimery redoks lub przewodzące. Przestrzenie między nimi wypełnione są elektrolitem, który pozwala transportować elektrony do przeciwelektrody (Rys. xxx).
Obydwie opisane wyżej konstrukcje badane są przy użyciu technik fotoelektrochemicznych (fotochronoamperometria, cykliczna woltramperometria), spektroelektrochemicznych oraz spektroskopii stacjonarnej i czasowo-rozdzielczej (femtosekundowa i nanosekundowa spektroskopia absorpcji przejściowej).
Fotosystem I (PSI)
Fotosystem I (PSI) jest intensywnie badanym materiałem światłoczułym do zastosowań w szeroko pojętej biofotowoltaice. Podobnie jak w przypadku opisanych wyżej centrów reakcji bakterii purpurowych, punktem wyjścia dla większości konstrukcji sa fotoelektrody zawierające PSI zdeponowany na odpowiednim podłożu. Jednak w literaturze nie poświęca się zbyt wiele uwagi potencjalnym zmianom własności PSI, które mogą wynikać z jego interakcji z podłożem. Dlatego naszym celem, oprócz konstrukcji prototypowych ogniw słonecznych zawierających PSI, jest badanie procesów transportu energii i elektronów w PSI osadzonym na różnych podłożach. Badania prowadzone są przy wykorzystaniu ultraszybkiej czasowo-rozdzielczej spektroskopii optycznej (absorpcyjnej i emisyjnej) oraz technik elektrochemicznych.