Использование полуклассических квантовых теорий взаимодействия электромагнитного излучения с веществом для моделирования оптических свойств фотосинтетических мономерных пигментов показало [1,2], что использование оптимизационных алгоритмов позволяет не только рассчитать с высокой степенью точности профиль линии поглощения электронного перехода молекулы, но и оценить степень статистической значимости найденных параметров исследуемой системы. Учитывая результаты предыдущих исследований, мы предложили способ анализа электрон-фононных взаимодействий для любых органических молекул в растворителе, поглощающих в видимом диапазоне. Ключевым объектом вычислений является понятие обобщённой спектральной плотности – характеристической функции электронного перехода молекулы, с помощью которой рассчитываются корреляционные функции дипольного момента электронного перехода. В наших предыдущих работах для подгонки экспериментальных данных мы использовали в качестве свободных параметров только Хуан-Рис факторы – эффективные параметры электрон-фононного взаимодействия, в то время как значения частот вибронных мод брались из экспериментов комбинационного рассеяния. Новый метод способен вычислять спектры поглощения и одновременно оценивать параметры спектральной плотности исключительно по форме спектра электронного перехода. Более того, применение эволюционного алгоритма оптимизации позволяет оценить статистическую значимость найденных параметров квантовой модели. Таким образом, данный метод является эффективным инструментом для моделирования оптических свойств органических молекул и позволяет создавать квантовые модели мономерных пигментов и использовать полученные данные для расчёта систем взаимодействующих молекул и кристаллов. В данной работе представлены результаты обработки спектров поглощения каротиноидов, порфириновых красителей и анализ полученных данных.



Исследование выполнено за счёт гранта РНФ № 22-21-00905, https://rscf.ru/project/22-21-00905/



[1]. Pishchalnikov, R.Y.; Yaroshevich, I.A.; Zlenko, D.V.; Tsoraev, G.V.; Osipov, E.M.; Lazarenko, V.A.; Parshina, E.Y.; Chesalin, D.D.; Sluchanko, N.N.; Maksimov, E.G. The role of the local environment on the structural heterogeneity of carotenoid β-ionone rings. Photosynthesis Research 2022, doi:10.1007/s11120-022-00955-2.



[2]. Chesalin, D.D.; Kulikov, E.A.; Yaroshevich, I.A.; Maksimov, E.G.; Selishcheva, A.A.; Pishchalnikov, R.Y. Differential evolution reveals the effect of polar and nonpolar solvents on carotenoids: A case study of astaxanthin optical response modeling. Swarm Evol. Comput. 2022, 75, 101210, doi:10.1016/j.swevo.2022.101210.

The use of semiclassical quantum theories of the interaction of electromagnetic radiation with matter to model the optical properties of photosynthetic monomeric pigments has shown [1,2] that the use of optimization algorithms allows not only calculating with a high degree of accuracy the absorption line profile of the electronic transition of the molecule, but also assessing the degree of statistical significance of the found parameters of the system under study. Taking into account the results of previous studies, we have proposed a method for the analysis of electron-phonon interactions for any organic molecule in solvents that absorbs in the visible range. The key computational object is the notion of generalized spectral density - the characteristic function of electron transition of a molecule with the help of which the correlation functions of dipole moment of electron transition are calculated. In our previous works to fit the experimental data we used as free parameters only Huang-Rhys factors - effective parameters of electron-phonon interaction, while the vibronic mode frequencies were taken from Raman scattering experiments. The new method is able to calculate absorption spectra and, at the same time, estimate the spectral density parameters just by the form of the electron transition spectrum. Moreover, the application of an evolutionary optimization algorithm makes it possible to estimate the statistical significance of the found quantum model parameters. Thus, the method is an effective tool for simulating the optical properties of organic molecules and allows the creation of quantum models of monomeric pigments and the use of the data obtained to calculate systems of interacting molecules and crystals. This study presents the results of processing of absorption spectra of carotenoids, porphyrin dyes and analysis of the obtained data.



This study was supported by the Russian Science Foundation (RSF # 22-21-00905,

https://rscf.ru/en/project/22-21-00905/).



[1]. Pishchalnikov, R.Y.; Yaroshevich, I.A.; Zlenko, D.V.; Tsoraev, G.V.; Osipov, E.M.; Lazarenko, V.A.; Parshina, E.Y.; Chesalin, D.D.; Sluchanko, N.N.; Maksimov, E.G. The role of the local environment on the structural heterogeneity of carotenoid β-ionone rings. Photosynthesis Research 2022, doi:10.1007/s11120-022-00955-2.



[2]. Chesalin, D.D.; Kulikov, E.A.; Yaroshevich, I.A.; Maksimov, E.G.; Selishcheva, A.A.; Pishchalnikov, R.Y. Differential evolution reveals the effect of polar and nonpolar solvents on carotenoids: A case study of astaxanthin optical response modeling. Swarm Evol. Comput. 2022, 75, 101210, doi:10.1016/j.swevo.2022.101210.