The fluorescence and photoisomerization quantum yields of trans-1-(9-anthryl)-2-(4-pyridyl)ethene (t-4-APyE), 1-(10-methyl-9-anthryl)-2-(4-pyridyl)ethene (t-4-MeAPyE), and 1-(10-chloro-9-anthryl)-2-(4- pyridyl)ethene (t-4-ClAPyE) were measured in cyclohexane, acetonitrile, and methanol at room temperature.Polar solvents result in the drastic reduction of fluorescence quantum yield and increase of photoisomerization quantum yield for all three compounds. These results are probably due to the stabilization of intramolecular charge transfer (ICT) excited state in polar solvent. The higher contribution of ICT in the presence of more electron-donating methyl substituent, manifested by largest positive fluorescence solvatochromism, indicates that the pyridine ring acts as an electron acceptor. Protonation or methylation makes pyridine ring stronger electron acceptor and causes long-wavelength ground state charge transfer absorption band and complete quenching of fluorescence. The fluorescence from t-4-APyE derivatives can be switched off responding external stimuli viz. medium polarity, protonation, or methylation.
Cyanobacteriochromes (CBCRs) are phytochrome-related photoreceptor proteins in cyanobacteria and cover a wide spectral range from ultraviolet to far-red. A single GAF domain that they contain can bind bilin(s) autocatalytically via heterologous recombination and then fluoresce, with potential applications as biomarkers and biosensors. Here, we report that a novel red/green CBCR GAF domain, SPI1085g2 from Spirulina subsalsa, covalently binds both phycocyanobilin (PCB) and phycoerythrobilin (PEB). The PCB-binding GAF domain exhibited canonical red/green photoconversion with weak fluorescence emission. However, the PEB-binding GAF domain, SPI1085g2-PEB, exhibited an intense orange fluorescence (λabs.max = 520 nm, λfluor.max = 555 nm), with a fluorescence quantum yield close to 1.0. The fluorescence of SPI1085g2-PEB was selectively and instantaneously quenched by copper ions in a concentration-dependent manner and exhibited reversibility upon treatment with the metal chelator EDTA. This study identified a novel PEB-binding cyanobacteriochrome-based fluorescent protein with the highest quantum yield reported to date and suggests its potential as a biosensor for the rapid detection of copper ions.
The fluorescence properties and photoisomerization behavior of 1-(9-anthryl)-2-(2-quinolinyl)ethene (2-AQE) have been investigated in various solvents. Instead of phenyl ring in 1-(9-anthryl)-2-phenylethene, the intro-duction of quinoline ring reduces not only the fluorescence yield but also the photoisomerization yield, due to competition of efficient radiationless deactivation and an increase in the torsional barrier for twisting in the singlet manifold. The S1 decay parameters were found to be solvent-dependent due to the charge-transfer character of lowest S1 state. Polar solvents reduce the activation barrier to twisting, thus slight enhancing the isomerization of t-2-AQE in the singlet manifold. As solvent polarity is increased, Φf of c-2-AQE is greatly reduced, but Φc →t is practically independent of solvent polarity. Dual fluorescence in t-2-AQE was observed and two fluorescing species could be assigned t-2-AQE and c-2-AQE, where the ratio between two species was dependent on the solvent polarity. Interestingly, in the concentration above 1×10 -4 M, the shapes of the fluorescence excitation spectra of t- and c-2-AQE are significantly altered without spectral changes of their fluorescence and absorption, probably due to the formation of excimer.
Imaging-PAM fluorometry was used to assess the chlorophyll a fluorescence parameter ${\Phi}_{PSII}$ (effective quantum yield) in Frcus vesiculosus. F. disttchus. ssp. distichus and AscophyIIum nodosum. The objective was to show variadon in fluorescence yield associated with age and frond organ, and to illustrate the spatial scales at which photosynthetic parameters vary on fucoid thalli. In addition, our species represented taxa in different but related genera, species with different ecoloeies (rock pool and non rock pool species), morphologies (with and without air bladders) and longevities (several to 20 or more years). A further objective was to determine the extent to which photosynthetic parameters reflected these differences- Effective quantum yield declined substantially with age in F. vesiculosus and F. distichus ssp. distichus, whereas ${\Phi}_{PSII}$ in A. nodosum was maximal after three years. In A. nodosum ${\Phi}_{PSII}$ was still high in branch segments at least seven years old. Older branches of A. nodosum showed relatively higher and more homogeneous photosynthetic capacity relative to Fucus species. Surfaces of air bladders in A. nodosum and F. vesicu- losus had ${\Phi}_{PSII}$ that was not significantly different from the highest rates, achieved in these species. The heterogene- ity of photosynthetic efficiency is consistent with morphological and developmental differences among the species and their ecology. in particular the longevity of A. nodosum fronds.
An apparatus for measuring oil oxidation was developed, which is capable of being mounted to mechanical devices for detecting power of fluorescent light reflected from oil in real time as an indication of the oil oxidation. This device has an advantage over conventional fluorescence spectrometers where the thin film is required for the measurement. Clean and used oil samples (mineral and synthetic oils) were tested by the developed apparatus that calculates a fluorescence quantum yield and a light absorption coefficient of the oil based upon the signals from the two light-receiving members and evaluates the degree of oil oxidation of test oils based on the fluorescence quantum yield. Results generally show that the developed device is able to effectively evaluate oil oxidation characteristics on-site in the field.
To find heavy metal-specific effects on the photosynthetic apparatus of higher plants, we investigated effects of $CuCl_2$, HgCl_2$ and $ZnCl_2$ on electron transport activity and chlorophyll fluorescence induction kinetics of chloroplasts isolated from barley seedlings. Effects on some related processes such as germination, growth and photosynthetic pigments of the test plants were also studied. Germination and growth rate were inhibited in a concentration-dependent manner by these metals. Mercury was shown to be the most potent inhibitor of germination, growth and biosynthesis of photosynthetic pigments of barley plants. In the inhibition of electron transport activity, quantum yield of PS II, and chlorophyll fluorescence induction kinetics of chloroplasts isolated from barley seedlings, mercury chloride showed more pronounced effects than other two metals. Contrary to the effects of other two metals, mercury chloride increased variable fluorescence significantly and abolished qE in the fluorescence induction kinetics from broken chloroplasts of barley seedlings. This increase in variable fluorescence is due to the inhibition of the electron transport chain after PS ll and the following dark reactions. The inhibition of qE could be attributed to the interruption of pH formation and do-epoxidation of violaxathin to zeaxanthin in thylakoids by mercury. This unique effect of mercury on chlorophyll fluorescence induction pattern could be used as a good indicator for testing the presence and/or the concentration of mercury in the samples contaminated with heavy metals.
Developmental of photosynthetic pigments and changes in chlorophyll fluorescence of dark-grown rice seedlings were studied during greening. Light-illumination stimulated accumulations of total chlorophylls and carotenoids in leaves of etiolated seedlings, accompanied by a decrease in the ratio of chlorophyll a to chlorophyll b. When the composition of carotenoids was analyzed, violaxanthin level was shown to increase up to 24 h after the beginning of light illumination, followed by a subsequent decline. In contrast to this, zeaxanthin level increased consistently with progress of deetiolatin. The role of zeaxanthin is discussed in relation to chlorophyll fluorescence quenching. A study on chlorophyll fluorescence kinetics of the rice seedlings being deetiolated showed a time-dependent increase in Fv/Fm (yield of variable fluorescence/maximum yield of fluoresecnece) ratios, indicating that greening is responsible for the activation of photochemical reaction centers of the photosystem. When chlorophyll fluorescence quenching was examined, qNP (nonphotochemical quenching) and qE (energy-dependent quenching) exhibited a time-dependent decline with progress of greening. The presented results indicate that greening-induced development of the photosynthetic machinery is associated the conversion of the carotenoid violaxanthin to zeaxanthin, suggesting that zeaxanthin synthesized in the illuminated leaves may provide the protection from the damage when etiolated plants are exposed to light.
A novel fluorescent dipyrido[3,2-a:2',3'-c]phenazine (dppz) derivative, 7-(4-methoxybenzoylamino) dppz (1), was synthesized by amide connection to position 7 of the dppz ring. Its fluorescence quantum yield ($\Phi$ = 0.21 in dichloromethane) was as high as that of the conventional 7-amino-dppz (3), and its fluorescence lifetime was much shorter than that of 3.
The response of the freshwater microalga, Chlorella vulgaris, to heavy metal stress was examined based on chlorophyll fluorescence analysis to assess the toxic effects of heavy metals in freshwater ecosystems. When toxic effects were analyzed using regular chlorophyll fluorescence analysis, photosystem II activity($F_v/F_m$) decreased significantly when exposed to $Cu^{2+}$ and $Hg^{2+}$ for 12 h, and decreased in the order of $Hg^{2+}>Cu^{2+}>Cd^{2+}>Ni^{2+}$ when exposed for 24h. The effective photochemical quantum yield(${\phi}{\prime}_{PSII}$), chlorophyll fluorescence decrease ratio($R_{Fd}$), minimal fluorescence yield($F_o$), and non-photochemical quenching(NPQ), but not photochemical quenching(qP), responded sensitively to $Hg^{2+}$, $Cu^{2+}$, and $Cd^{2+}$. These results suggest that $F_v/F_m$, as well as ${\phi}{\prime}_{PSII}$, $R_{Fd}$, $F_o$, and NPQ could be used to assess the effects of heavy metal ions in freshwater ecosystems. However, because many types of heavy metal ions and toxic compounds co-occur under natural conditions, it is difficult to assess heavy metal toxicity in freshwater ecosystems. When Chlorella was exposed to heavy metal ions for 12 or 24h, $F_v/F_m$ and maximal fluorescence yield($F_m$) changed in response to $Hg^{2+}$ and $Cu^{2+}$ based on image analysis. However, assessing quantitatively the toxic effects of several heavy metal ions is challenging.
Park, Jong Yong;Yoo, Sung Young;Kang, Hong Gyu;Kim, Tae Wan
한국작물학회지
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제61권4호
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pp.270-276
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2016
The objective of this study was to find a rapid determination of the hot air stress in maize (Zea mays L.) leaves using a portable chlorophyll fluorescence imaging instrument. To assess the photosynthetic activity of maize leaves, an imaging analysis of the photochemical responses of maize was performed with chlorophyll fluorescence camera. The observed chlorophyll imaging photos were numerically transformed to the photochemical parameters on the basis of chlorophyll a fluorescence. Chlorophyll a fluorescence imaging (CFI) method showed that a rapid decrease in maximum fluorescence intensity ($F_m$) of leaf occurred under hot air stress. Although no change was observed in the maximum quantum yield ($F_v/F_m$) of the hot air stressed maize leaves, the other photochemical parameters such as maximum fluorescence intensity ($F_m$) and Maximum fluorescence value ($F_p$) were relatively lowered after hot air stress. In hot air stressed maize leaves, an increase was observed in the nonphotoquenching (NPQ) and decrease in the effective quantum yield of photochemical energy conversion in photosystem II (${\Phi}PSII$). Thus, NPQ and ${\Phi}PSII$ were available to be determined non-destructively in maize leaves under hot air stress. Our results clearly indicated that the hot air could be a source of stress in maize leaves. Thus, the CFI analysis along with its related parameters can be used as a rapid indicating technique for the determining hot air stress in plants.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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