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叶绿素荧光——光合作用研究的探针

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发表于:
2014-09-15, 09:55
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叶绿素荧光作为光合作用研究的探针,得到了广泛的研究和应用。叶绿素荧光不仅能反映光能吸收、激发能传递和光化学反应等光合作用的原初反应过程,而且与电子传递、质子梯度的建立及ATP合成和CO2固定等过程有关。几乎所有光合作用过程的变化均可通过叶绿素荧光反映出来,而荧光测定技术不需破碎细胞,不伤害生物体,因此通过研究叶绿素荧光来间接研究光合作用的变化是一种简便、快捷、可靠的方法。目前,叶绿素荧光在光合作用、植物胁迫生理学、水生生物学、海洋学和遥感等方面得到了广泛的应用。

    叶绿素荧光现象是指叶绿素溶液在透射光下呈绿色,而在反射光下呈红色,这种现象称为叶绿素荧光现象。叶绿素为什么会发荧光呢?当叶绿素分子吸收光量子后,就由最稳定的、能量的最低状态-基态(ground state)上升到不稳定的高能状态-激发态(excited state)。叶绿素分子有红光和蓝光两个最强吸收区。如果叶绿素分子被蓝光激发,电子跃迁到能量较高的第二单线态;如果被红光激发,电子跃迁到能量较低的第一单线态。处于单线态的电子,其自旋方向保持原来状态,如果电子在激发或退激过程中自旋方向发生变化,该电子就进入能级较单线态低的三线态。由于激发态不稳定,迅速向较低能级

 

chl + h ————→chl* (3-6)

 

基态 光子能量       激发态

 

状态转变,能量有的以热的形式释放,有的以光的形式消耗。从第一单线态回到基态所发射的光就称为荧光。处在第一三线态的叶绿素分子回到基态时所发出的光为磷光。荧光的寿命很短,只有10-8~10-10s。由于叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗于分子内部的振动上,发射出的荧光的波长总是比被吸收的波长要长一些。所以叶绿素溶液在入射光下呈绿色,而在反射光下呈红色。在叶片或叶绿体中发射荧光很弱,肉眼难以观测出来,耗能很少,一般不超过吸收能量的5%,因为大部分能量用于光合作用。色素溶液则不同,由于溶液中缺少能量受体或电子受体,在照光时色素会发射很强的荧光。

另外,吸收蓝光后处于第二单线态的叶绿素分子,其贮存的能量虽远大于吸收红光处于第一单线态的状态,但超过的部分对光合作用是无用的,在极短的时间内叶绿素分子要从第二单线态返回第一单线态,多余的能量也是以热的形式耗散。因此,蓝光对光合作用而言,在能量利用率上不如红光高。

叶绿素的荧光和磷光现象都说明叶绿素能被光所激发,而叶绿素分子的激发是将光能转变为化学能的第一步。现在,人们用叶绿素荧光仪能精确测量叶片发出的荧光,而荧光的变化可以反映光合机构的状况,因此,叶绿素荧光被称为光合作用的探针。

因为叶绿素荧光与其含量是呈良好的线性关系,因此美国安诺实验室生产的紫外荧光手持式叶绿素测定仪根据这个原理,通过检测其在蓝光处的波长从而检测出叶绿素的含量。

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