（承上）

梁先庭 译

4.能量传输的早期研究

     能量从一处以某种形式输运到另外一处是物理学----从天文学到核物理的所有领域，一个共同关注的话题。例如，气体可以通过独立分子间的碰撞交换能量。事实上，能量传输的原始观察是，分子（或原子）之间的相互作用距离比没有碰撞的分子的半径之和要大很多。这也是早期偶极-偶极相互作用的第一特征，对其早期实验的描述参见Clegg的文献[22]。此研究之后，能量可能从一个激发分子传输到溶液中距离远大于分子直径的近邻的分子的事实通过荧光极化实验变得很清楚了。这种能量传输的原始解释[24-26],也是根据偶极-偶极相互作用而获得的。由J. &F. Perrin做的溶液中分子之间的能量传输的解释正确地包含了分子之间的偶极-偶极相互作用，但是他们的分析只考虑了两个相同的相互作用分子，且这两个分子各自仅拥有两个态，并且是与环境隔离的。这样，该系统就含有无限狭窄的能带[这些条件非常类似于激子的形成（见Section 8）,但是Perrin的分析略有不同]。结果，他们预计的能够传输能量的距离太长了。正如我们将在稍后讨论的，这是因为他们没有考虑这些实验的条件，而这些实验包含了严重的能级展宽，这里激发态构形与环境（溶液）一起处于平衡，而激发分子在能量传输发生之前已经与环境发生了多次碰撞，这些碰撞导致了相位的退相干，进而导致了能量的非相干传输。 Theodor  Förster 认识到了这一点，并推导出了正确的非相干能量传输率。这种推导对拥有库仑相互作用的凝聚态的分子是可行的，而Förster对其较大距离的分子采用了点偶极-偶极相互作用[27-28]，这些认识允许他对分子之间激发态（donor）与基态(acceptor)之间的能级叠加可以用几率处理。（用更学术的性的语言说就是：这种能量传输的条件有利于使用费米黄金准则----见下面Section7）。Förster熟悉Perrin的工作并高度关注染料极化的实验测量[24－25]。在它的原始文献里也提到，需要祈求能量迁移来解释光合作用的效率问题。

不是一般都认为，正确的机理与理论（与Förster完全相同的理论）是最早由Arnold与J.R. Oppenheimer（见文献[29]）推导出来的。有趣的是，Arnold与J. R. Oppenheimer的工作是被光合作用的高效所激励。当时，Emerson正从事量子效率与蓝藻（又称蓝绿藻）及绿藻的作用谱的研究，但是研究成果到1942年与1943年才发表[30，31]。早先，Arnold选修了Oppenheimer量子力学的课程，并同Oppenheimer讨论了这些现象，Oppenheimer很快做了一个分子之能量转换与核的内禀转换之间的类似。Oppenheimer在一个物理学会的关于核物理的会议上，递交了一个论文摘要，并口头报告了其基本内容。由于某些原因，他在摘要中没有提及Arnold。这个粗糙的摘要没有给出任何细节，非常有可能当时没有什么听众被这个光合作用工作所吸引。Knox [33]曾给出一个关于Arnold与Oppenheimer贡献的详细说明。Knox说：“Oppenheimer提出，初始激发分子的跃迁瞬间，由于强的近域场驱动，共振转换将发生，作为一个不可逆过程，这样的机制将具有一个正比于R^(-6)的比率，这里R是分子之间的距离。”在1941年，Oppenheimer的摘要里（此摘要基于Emerson[34]早期的实验观察），就发现了一个清晰的表述，该表述认为，一个叶绿体a分子将接收蓝色素蓝藻中藻青蛋白分子吸收来的能量。

一直到9年后，Arnold与Oppenheimer [32]才发表他们被长期耽误的文章；他们预言，当Donor与Acceptor之间的距离相隔~ 15A时，激发能从Donor跳跃到Acceptor的时间约2ps。到此时，经典的FRET即Förster Resonance Energy Transfer理论早已发表[27-28]，而实际上Arnold与Oppenheimer在文献[32]中还引用了Förster的文章。基于对文献阅读及以Knox的文章[33]，我们认为Arnold是第一个在光合作用研究中使用共振能量转换概念的[33]。然而，Förster的原始推导与分析[27－28]（这里Förster提到了Emerson关于光合作用的工作）对光合作用中激发能的传输理论具有最重要的影响。在Arnold与Oppenheimer以及Förster理论的机制中，术语“不相干”指的是被激发的色团在能量传输之前完成了振动之弛豫。

激发分子振动之弛豫是由于它与环境的相互作用。在室温下，很容易显示，在相互作用能量传输发生之前，其弛豫过程只持续了几个皮秒（这近似等于分子距离的扩散时间）。早期理论假设，这些激发分子的振动弛豫（与环境，例如溶液碰撞相互作用）将任何相干状态弛豫到平衡态，而这些相干状态可以在真空与非常低的温度下通过激发分子而产生。自Förster的原始论文发表以来，这种能量传输的模式已被大家熟称为Förster共振能量传输（FRET）；以下我们将使用FRET专指这种能量传输模式。Förster给我们提供了解释耦合分子之间能量传输实验的一种理论描述，这类实验通常是为了获得非相互作用的Donor与Acceptor分子光谱性质（一种重叠积分）的，这类研究导致了大量的相关文献。FRET已经被很多实验领域，特别是生物学所成功采用。

【译注： Förster能量传输是振动弛豫后的结果，因此不包括Donor各能级相干，也不包括Acceptor各能级相干情形。】

                                                                                                                          （未完待续）