单分子荧光共振能量转移的量子动力学特性研究

Fluorescence resonance energy transfer (FRET) is one of the most important forms of interactions between single molecules and the surrounding environment. Investigations on the quantum dynamics of single-molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET) is of great scientific significance and promising applications for the design of optical quantum devices based on single molecule. Considering the manipulation of quantum coherent properties of single molecule by ultrafast pulse shaping technique, we focus on the achievement of quantum coherent modulated single molecule microscopy based on the high frequency modulation of phase differences between sub-picosecond pulse-pair, and thus investigate the quantum dynamics of smFRET processing. In order to improve the quantum coherent properties of single molecule, the wavelength of sub-picosecond laser will be optimized to match the excited vibrational level of single molecule. Here, the non-polar squaraine-derived rotaxanes (SR) will be selected as the fluorescence donor, graphene oxide with polar functional groups will be selected as the fluorescence acceptor. Due to the optical properties of graphene oxide can be modified by external electric field, the transfer efficiency and the corresponding time scale of smFRET between SR single molecule and graphene oxide can be artificial design by varying the amplitude and period of external electric field. In this way, the quantum dynamics of smFRET under different time scale between SR and graphene oxide, including coherent decay time, coherent phase, energy relaxation, can be obtained and studied. The investigation on the quantum dynamics of smFRET between SR and graphene oxide provides the experimental foundation for the fabrication of key quantum devices based on SR single molecule, the development of quantum coherent modulated single molecule microscopy pays the way for studying the fast dynamics under biologically relevant conditions.

荧光共振能量转移是单分子与周围环境相互作用最重要的形式之一，研究该过程的量子动力学特性对设计基于单分子的光量子器件具有重要的科学意义与应用价值。本项目利用超快脉冲相位整形技术对单分子的量子相干调控特性，通过对亚皮秒脉冲相位的快速调制，实现基于相干调制的单分子显微成像，研究荧光共振能量转移的量子动力学特性。通过优化亚皮秒激光波长，实现对单一激发态振动能级的激发，提高单分子量子相干性。选择非偶极SR单分子作为荧光施体，偶极氧化石墨烯作为荧光受体，利用外电场对氧化石墨烯光学特性的操控，通过改变外电场的幅度与持续时间，人工构造转移效率与转移时间可调节的荧光共振能量转移体系，研究该体系在不同时间尺度下的量子动力学特性（包括相干时间、相干相位、能量弛豫等）。对量子动力学特性的研究为制备基于SR单分子的量子器件奠定了实验基础，所发展的基于量子相干调制的显微成像为研究单分子快速动力学过程提供了新方案。

单分子科学作为一门前沿交叉学科，能在分子层次上反映物质本身及其与周围环境相互作用的物理和化学性质；而荧光共振能量转移是单分子与周围环境相互作用最重要的形式之一，研究该过程的量子动力学特性对设计基于单分子的光量子器件具有重要的科学意义与应用价值。本项目通过操控超快亚皮秒脉冲对之间的相位差，实现了单分子激发态布居几率的调制；结合量子相干调制的单光子频域信息处理技术，实现了基于单分子量子相干的调制增强显微成像，在毫秒积分时间内将成像对比度提高了515倍，有效抑制了背景及干扰光对研究能量转移的影响。通过优化亚皮秒激光波长，实现了对单一激发态振动能级的激发，提高了单分子量子相干性。选择了非偶极SR单分子作为荧光施体，偶极氧化石墨烯作为荧光受体，利用外电场对氧化石墨烯光学特性的操控，通过改变外电场的幅度与持续时间，人工构造了转移效率与转移时间可调节的荧光共振能量转移体系，揭示了该体系在fs-ns时间尺度下的量子动力学特性（包括相干时间、相干相位、能量弛豫等），确定了荧光共振能量转移的半径为5.9 nm。该研究为制备基于SR单分子的量子器件奠定了实验基础，所发展的基于量子相干调制的显微成像为研究单分子快速动力学过程提供了新方案。.项目组在Phys. Rev. Lett., ACS Nano, J. Phys. Chem. Lett.等国内外期刊发表反映上述研究成果的论文31篇，其中一区论文12篇；在单分子相干叠加态制备、调控、单光子量级微弱信号的鲁棒性探测方面申请发明专利7项，授权7项。项目负责人及项目组成员与德国科隆大学Paul教授、瑞典隆德大学Ivan教授、法国非线性光学研究所Costanza教授、意大利CNR-INO研究院Augusto教授实现互访15人次；项目组成员参与国际国内会议20人次。项目组还成功研制了高性能的单分子量子相干光谱仪，“新型量子相干光谱技术与应用”获2020年度山西省科学技术奖技术发明一等奖。通过本项目的实施，项目负责人2020年晋升为教授，2022年获得了基金委优秀青年项目资助。同时项目组培养了博士生6名，硕士生5名，其中已毕业博士生4名，硕士生2名，已毕业研究生已在太原理工大学、山西医科大学等单位开展独立工作。