Beyond förster resonance energy transfer in biological and nanoscale systems

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 113, Issue 19, 2009, Pages 6583-6599

  Beljonne, David ^a   Curutchet, Carles ^b   Scholes, Gregory D ^b   Silbey, Robert J ^c  

^a UNIVERSITY OF MONS   (Belgium)

^b UNIVERSITY OF TORONTO   (Canada)

^c MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AMPLIFICATION; BIOLOGICAL SYSTEMS; ENERGY CONVERSION; LIGHT EMITTING DIODES; MOLECULES; ORGANIC LIGHT EMITTING DIODES (OLED); PHOTOEXCITATION; RESONANCE;

BATH MODES; COMPLEX SYSTEMS; DIPOLE APPROXIMATION; DIPOLE-DIPOLE; DONOR-ACCEPTOR SYSTEM; ELECTRONIC COUPLING; ELECTRONIC ENERGY TRANSFER; EXCITED-STATE DYNAMICS; EXCITON STATE; FLUORESCENCE-BASED SENSORS; INTERMEDIATE REGIMES; MOLECULAR AGGREGATE; NANO-SCALE SYSTEM; NON-EQUILIBRIUM PROCESS; RESONANCE ENERGY TRANSFER; SINGLE MOLECULE EXPERIMENTS; SPECTRAL OVERLAP;

ENERGY TRANSFER;

EID: 67650094907     PISSN: 15206106     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp900708f     Document Type: Article

References (156)

1. Van Der Meer, B. W.; Coker, G.; Chen, S.-Y. S. Resonance Energy Transfer: Theory and Data; VCH: New York, 1994.
2. Scholes, G. D. Annu. Rev. Phys. Chem. 2003, 54, 57-87.
3. Kallmann, H.; London, F. Z.Phys.Chem. 1929, 2, 207-243.
4. Vavilov, A. C. H.; Galanin, M. D. Dokl. Akad. Nauk. USSR 1949, 67, 811-818.
5. Förster, T. Ann. Phys. 1948, 2, 55-75.
6. Agabekyan, A. S.; Melikyan, A. O. Opt. Spectrosc. 1972, 32, 153- 157.
7. Kasha, M. Radiat. Res. 1963, 20, 55.
8. May, V.; Kühn, O. Charge and energy transfer dynamics in molecular systems: A theoretical introduction; Wiley-VCH: Berlin, 2000.
9. Braslavsky, S. E.; Fron, E.; Rodriguez, H. B.; San Román, E.; Scholes, G. D.; Schweitzer, G.; Valeur, B.; Wirz, J. Photochem. Photobiol Sci. 2008, 7, 1444-1448.
10. Andrews, D. L. Chem. Phys. 1989, 135, 195-201.
11. Craig, D. P.; Thirunamachandran, T. Molecular Quantum Electrodynamics; Dover: New York, 1998.
12. Krueger, B. P.; Scholes, G. D.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 5378-5386.
13. Walla, P. J.; Linden, P. A.; Hsu, C. P.; Scholes, G. D.; Fleming, G R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000, 97, 10808-10813.
14. Tretiak, S.; Mukamel, S. Chem. Rev. 2002, 102, 3171.
15. Chang, J. C. J. Chem. Phys. 1977, 67, 3901-3909.
16. Beljonne, D.; Cornil, J.; Silbey, R.; Millie, P.; Brédas, J.-L. J. Chem. Phys. 2000, 112, 4749-4758.
17. Czikklely, V.; Fosterling, H. D.; Kuhn, H. Chem. Phys. Lett. 1970, 6, 207-210.
18. Beenken, W. J. D.; Pullerits, T. J. Chem. Phys. 2004, 120, 2490-2495.
19. Fink, R. F.; Pfister, J.; Schneider, A.; Zhao, H.; Engles, B. Chem. Phys. 2008, 343, 353-361.
20. Fink, R. F.; Pfister, J.; Zhao, H. M.; Engels, B. Chem. Phys. 2008, 346, 275-285.
21. Muñoz-Losa, A.; Curutchet, C; Galván, I. F.; Mennucci, B. J. Chem. Phys. 2008, 129, 034104.
22. Scholes, G. D.; Fleming, G. R. Adv. Chem. Phys. 2005, 132, 57-130.
23. Beljonne, D.; Pourtois, G.; Silva, C; Hennebicq, E.; Herz, L. M.; Friend, R. H.; Scholes, G. D.; Setayesh, S.; Müllen, K.; Brédas, J. L. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 10982-10987.
24. Peeters, E.; van Hal, P. A.; Knol, J.; Brabec, C. J.; Sariciftci, N. S.; Hummelen, J. C; Janssen, R. A. J. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 10174- 10190.
25. van Hal, P. A.; Janssen, R. A. J.; Lanzani, G.; Cerullo, G.; Zavelani-Rossi, M.; De Silvestri, S. Phys. Rev. B 2001, 64, 075206.
26. van Hal, P. A.; Janssen, R. A. J.; Lanzani, G.; Cerullo, G.; Zavelani-Rossi, M.; De Silvestri, S. Chem. Phys. Lett. 2001, 345, 33-38.
27. Gonzalez-Rodriguez, D.; Torres, T.; Guldi, D. M.; Rivera, J.; Echegoyen, L. Org. Lett. 2002, 4, 335-338.
28. Gayathri, S. S.; Patnaik, A. Chem. Phys. Lett. 2005, 414, 198- 203.
29. Lloyd, M. T.; Lim, Y.-F.; Malliaras, G. G. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 143308.
30. Hukka, T. I.; Toivonen, T.; Hennebicq, E.; Brédas, J.-L.; Janssen, R. A. J.; Beljonne, D. Adv. Mater. 2006, 18, 1301-1306.
31. Scholes, G. D.; Gould, I. R.; Cogdell, R. J.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. B. 1999, 103, 2543-2553.
32. Wiesenhofer, H.; Beljonne, D.; Scholes, G. D.; Hennebicq, E.; Brédas, J.-L.; Zojer, E. Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 155-160.
33. Wong, K. F.; Bagchi, B.; Rossky, P. J. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 5752-5763.
34. Scholes, G. D.; Andrews, D. L. Phys. Rev. B 2005, 72, 125331.
35. Kagan, C. R.; Murray, C. B.; Nirmal, M.; Bawendi, M. G. Phys. Rev. Lett. 1996, 76, 1517.
36. Medintz, I. L.; Clapp, A. R.; Mattoussi, H.; Goldman, E. R.; Fisher, B.; Mauro, J. M. Nat. Mater. 2003, 2, 630-638.
37. Medintz, I. L.; Mattoussi, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 17-45.
38. O'Connell, M. J.; Bachilo, S. M.; Huffman, C. B.; Moore, V. C; Strano, M. S.; Haroz, E. H.; Rialon, K. L.; Boul, P. J.; Noon, W. H.; Kittrell, C; Ma, J.; Hauge, R. H.; Weisman, R. B.; Smalley, R. E. Science 2002, 297, 593-596.
39. Curutchet, C; Franceschetti, A.; Zunger, A.; Scholes, G. D. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 13336-13341.
40. Wong, C. Y.; Curutchet, C; Tretiak, S.; Scholes, G. D. J. Chem. Phys. 2009, 130, 081104.
41. Wang, L.-W.; Zunger, A. Phys. Rev. B 1995, 51, 17398-17416.
42. Schrier, J.; Wang, L.-W. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 11158-11161.
43. Closs, G. L.; Piotrowiak, P.; MacInnes, J. M.; Fleming, G. R. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 2652-2653.
44. Naleway, C. A.; Curtiss, L. A.; Miller, J. R. J. Phys. Chem. 1991, 95, 8434-8437.
45. Paulson, B. P.; Curtiss, L. A.; Bal, B.; Closs, G. L.; Miller, J. R. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 378-387.
46. Jordan, K. D.; Paddon-Row, M. N. Chem. Rev. 1992, 92, 395-410.
47. Oevering, H.; Paddon-Row, M. N.; Heppener, M.; Oliver, A. M.; Cotsaris, E.; Verhoeven, J. W.; Hush, N. S. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 3258-3269.
48. Paddon-Row, M. N. Aust. J. Chem. 2003, 56, 729-748.
49. Scholes, G. D.; Ghiggino, K. P. J. Phys. Chem. 1994, 98, 4580-4590.
50. Eng, M. P.; Albinsson, B. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 5626-5629.
51. Albinsson, B.; Mårtensson, J. J. Photochem. Photobiol., C 2008, 9, 138-155.
52. Eng, M. P.; Mårtensson, J.; Albinsson, B. Chem. - Eur. J. 2008, 14, 2819-2826.
53. Scholes, G. D.; Harcourt, R. D.; Ghiggino, K. P. J. Chem. Phys. 1995, 102, 9574-9581.
54. Thompson, A. L.; Gaab, K. M.; Xu, J.; Bardeen, C. J.; Martinez, T. J. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 671-682.
55. Van Averbeke, B.; Beljonne, D.; Hennebicq, E. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 492-498.
56. Clayton, A. H. A.; Scholes, G. D.; Ghiggino, K. P.; Paddon-Row, M. N. J. Phys. Chem. 1996, 100, 10912-10918.
57. Métivier, R.; Nolde, F.; Müllen, K.; Basché, T. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 47802.
58. Curutchet, C; Mennucci, B.; Scholes, G. D.; Beljonne, D. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 3759-3766.
59. Lee, H.; Cheng, Y.-C; Fleming, G. R. Science 2007, 316, 1462-1465.
60. Engel, G. S.; Calhoun, T. R.; Read, E. L.; Ahn, T.-K.; Mancal, T.; Cheng, Y.-C; Blankenship, R. E.; Fleming, G R. Nature(London) 2007, 446, 782-786.
61. Collini, E.; Scholes, G. D. Science 2009, 323, 369-373.
62. Note that the final column in Table 1 in ref 2 needs correction: The couplings reported for the distributed dipole approximation are in error for the interchromophore separations described. The following substitutions should be made: V = 3.2 → 1.4; 2.5 → 19; 8.3 →-8.3; 5.6 →-5.6. G.D.S. is grateful to B. Kohler for pointing this out.
63. Sumi, H. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 252-260.
64. Scholes, G. D.; Jordanides, X. J.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 1640-1651.
65. Jang, S.; Newton, M. D.; Silbey, R. J. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 218301.
66. Jordanides, X. J.; Scholes, G. D.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 1652-1669.
67. Marcus, R. A.; Sutin, N. Biochim. Biophys. Acta 1985, 811, 265-322.
68. Mirkovic, T.; Doust, A. B.; Kim, J.; Wilk, K. E.; Curutchet, C; Mennucci, B.; Cammi, R.; Curmi, P. M. G.; Scholes, G. D. Photochem Photobiol. Sci. 2007, 6, 964-975.
69. Mukamel, S. Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy; Oxford University Press: New York, 1995.
70. Fleming, G. R.; Passino, S. A.; Nagasawa, Y. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A 1998, 356-389.
71. Scholes, G D.; Ghiggino, K. P.J. Chem. Phys. 1994, 101, 1251-1261.
72. Jang, S.; Jung, Y. J.; Silbey, R. J. Chem. Phys. 2002, 275, 319-332.
73. Fulton, R. L.; Gouterman, M. J. Chem. Phys. 1961, 35, 1059-1071.
74. Klafter, J.; Silbey, R. Phys. Lett. A 1980, 76, 143-146.
75. Pope, M.; Swenberg, E. Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers; 2nd ed.; Oxford Science Publications: New York, 1999.
76. Pope, M.; Swenberg, C. E. Annu. Rev. Phys. Chem. 1984, 35, 613-655.
77. McRae, E. G.; Kasha, M. Physical Processes in Radiation Biology; Academic Press: New York, 1964; pp 23-42.
78. Heijs, D. J.; Malyshev, V. A.; Knoester, J. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 177402.
79. Bednarz, M.; Malyshev, V. A.; Knoester, J. J. Chem. Phys. 2002, 117, 6200-6213.
80. Didraga, C; Malyshev, V. A.; Knoester, J. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 18818-18827.
81. Rackovsky, S.; Silbey, R. Mol. Phys. 1973, 25, 61-72.
82. Grover, M.; Silbey, R. J. Chem. Phys. 1971, 54, 4843-4851.
83. Jackson, B.; Silbey, R. J. Chem. Phys. 1983, 78, 4193-4196.
84. Kimura, A.; Kakitani, T. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 12042-12048.
85. Kimura, A.; Kakitani, T. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 14486-14499.
86. Suarez, A.; Silbey, R.; Oppenheim, I. J. Chem. Phys. 1992, 97, 5101-5107.
87. Fleming, G. R. Chemical applications of ultrafast spectroscopy; Oxford University Press: New York, 1986.
88. Jonas, D. M. Annu. Rev. Phys. Chem. 2003, 54, 425-463.
89. Jonas, D. M. Science 2003, 300, 1515-1517.
90. Cho, M. Chem. Rev. 2008, 108, 1331-1418.
91. Pisliakov, A. V.; Mancal, T.; Fleming, G. R. J. Chem. Phys. 2006, 124, 234505.
92. Cho, M. H.; Vaswani, H. M.; Brixner, T.; Stenger, J.; Fleming, G R. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 10542-10556.
93. Brixner, T.; Stenger, J.; Vaswani, H. M.; Cho, M.; Blankenship, R. E.; Fleming, G. R. Nature (London) 2005, 434, 625-628.
94. Zigmantas, D.; Read, E. L.; Mancal, T.; Brixner, T.; Gardiner, A. T.; Cogdell, R. J.; Fleming, G. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 12672-12677.
95. Cheng, Y. C; Engel, G. S.; Fleming, G. R. Chem. Phys. 2007, 341, 285-295.
96. Cheng, Y. C; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 4254- 4260.
97. Agranovich, V. M.; Galanin, M. D. Electronic Excitation Transfer in Condensed Matter; North-Holland: Amsterdam, 1982.
98. Juzeliunas, G.; Andrews, D. L. Phys. Rev. B. 1994, 49, 8751.
99. Hsu, C.-P.; Fleming, G. R.; Head-Gordon, M.; Head-Gordon, T. J. Chem. Phys. 2001, 114, 3065-3072.
100. Iozzi, M. F.; Mennucci, B.; Tomasi, J.; Cammi, R. J. Chem. Phys. 2004, 120, 7029-7040.
101. Adolphs, J.; Renger, T. Biophys. J. 2006, 91, 2778.
102. Knox, R. S.; van Amerongen, H. J. Chem. Phys. B. 2002, 106, 5289-5293.
103. Scholes, G. D.; Curutchet, C; Mennucci, B.; Cammi, R.; Tomasi, J. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 6978-6982.
104. Curutchet, C; Scholes, G. D.; Mennucci, B.; Cammi, R. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 13253-13265.
105. Curutchet, C; Mennucci, B. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16733-16744.
106. Tomasi, J.; Mennucci, B.; Cammi, R. Chem. Rev. 2005, 105, 2999-3093.
107. Mercer, I. P.; Gould, I. R.; Klug, D. R. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 7720-7727.
108. Fleming, G. R.; Cho, M. H. Annu. Rev. Phys. Chem. 1996, 47, 109-134.
109. Maroncelli, M. J. Mol. Lia. 1993, 57, 1-37.
110. Kubo, R. Adv. Chem. Phvs. 1969, 15, 101-127.
111. Moerner, W. E. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 910-927.
112. Silbey, R. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 12595-12595.
113. De Schryver, F. C; Vosch, T.; Cotlet, M.; Van der Auweraer, M.; Mullen, K.; Hofkens, J. Acc. Chem. Res. 2005, 38, 514-522.
114. Scholes, G. D.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 1854-1868.
115. Langhals, H.; Poxleitner, S.; Krotz, O.; Pust, T.; Walter, A. Eur. J. Org. Chem. 2008, 4559-4562.
116. Jang, S. J. Chem. Phys. 2007, 127, 174710.
117. Barkai, E.; Jung, Y. J.; Silbey, R. Annu. Rev. Phys. Chem. 2004, 55, 457-507.
118. Fidder, H.; Knoester, J.; Wiersma, D. A. J. Chem. Phys. 1991, 95, 7880-7890.
119. Duysens, L. N. M. In Light emission by plants and bacteria; Govindjee Amesz, J., Fork, D. C, Eds.; Academic Press, Inc.: Orlando, FL, 1986; pp 3-28.
120. van Grondelle, R. Biochem. Biophys. Acta 1985, 811, 147-195.
121. Pullerits, T.; Sundström, V. Acc. Chem. Res. 1996, 29, 381-389.
122. Fleming, G. R.; van Grondelle, R. Curr. Opin. Struct. Biol. 1997, 7, 738-748.
123. Sundström, V.; Pullerits, T.; van Grondelle, R. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 2327-2346.
124. Hu, X.; Damjanovic, A.; Ritz, T.; Schulten, K. Proc. Natl. Acad.. Sci. U.S.A. 1998, 95, 5935-5941.
125. van Grondelle, R.; Novoderezhkin, V. Biochemistry 2001, 40, 15057-15068.
126. Cogdell, R. J.; Gardiner, A. T.; Roszak, A. W.; Law, C. J.; Southall, J.; Isaacs, N. W. Photosynth. Res. 2004, 81, 207-214.
127. Freiberg, A.; Godik, V. I.; Pullerits, T.; Timpmann, K. Biochem. Biophys. Acta 1989, 973, 93-104.
128. Pullerits, T.; Freiberg, A. Chem. Phys. 1991, 149, 409-418.
129. McDermott, G.; Prince, S. M.; Freer, A. A.; Hawthornthwaite-Lawless, A. M.; Papiz, M. Z.; Cogdell, R. J.; Isaacs, N. W. Nature (London) 1995, 374, 517-521.
130. Sauer, K.; Cogdell, R. J.; Prince, S. M.; Freer, A. A.; Isaacs, N. W.; Scheer, H. Photochem. Photobiol. 1996, 64, 564-576.
131. Pullerits, T.; Chachisvilis, M.; Sundström, V. J. Chem. Phys. 1996, 100, 10787-10792.
132. Jimenez, R.; Dikshit, S. N.; Bradforth, S. E.; Fleming, G. R. J. Phys. Chem. 1996, 100, 6825-6834.
133. Wu, H.-M.; Savikhin, S.; Reddy, N. R. S.; Jankowiak, R.; Cogdell, R. J.; Struve, W. S.; Small, G. J. J. Phys. Chem. 1996, 100, 12022-12033.
134. Monshouwer, R.; Abrahamsson, M.; van Mourik, F.; van Grondelle, R. J. Phys. Chem.B. 1997, 101, 7241-7248.
135. Meier, T.; Chernyak, V.; Mukamel, S. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 7332-7342.
136. Wu, H.-M.; Ratsep, M.; Lee, I.-J.; Cogdell, R. J.; Small, G. J. J. Phys. Chem. b. 1997, 101, 7654-7663.
137. Kumble, R.; Hochstrasser, R M. J. Chem. Phys. 1998, 109, 855-865.
138. Freiberg, A.; Timpmann, K.; Lin, S.; Woodbury, N. W. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 10974-10982.
139. Nagarajan, V.; Johnson, E. T.; Williams, J. C; Parson, W. W. J. Phys. Chem. B. 1999, 103, 2297-2309.
140. Bakalis, L. D.; Knoester, J. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 6620-6628.
141. Novoderezhkin, V.; Monshouwer, R.; van Grondelle, R. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 10540-10548.
142. Jang, S.; Dempster, S. E.; Silbey, R. J. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6655-6665.
143. Zerlauskiene, O.; Trinkunas, G.; Gall, A.; Robert, B.; Urboniene, V.; Valkunas, L. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 15883-15892.
144. van Oijen, A. M.; Ketelaars, M.; Köhler, J.; Aartsma, T. J.; Schmidt, J. Science 1999, 285, 400-402.
145. Ketelaars, M.; van Oijen, A. M.; Matsushita, M.; K̈; ohler, J.; Schmidt, J.; Aartsma, T. J. Biophys.J. 2001, 80, 1591-1603.
146. Cogdell, R. J.; Gall, A.; Köhler, J. Q. Rev. Biophys. 2006, 39, 227-324.
147. Ketelaars, M.; Segura, J.-M.; Oellerich, S.; de Ruijter, W. P. F.; Magis, G.; Aartsma, T. J.; Matsushita, M.; Schmidt, J.; Cogdell, R. J.; Köhler, J. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 18710-18717.
148. Rutkauskas, D.; Novoderezhkin, V.; Gall, A.; Olsen, J.; Cogdell, R. J.; Hunter, C. N.; van Grondelle, R. Biophys. J. 2006, 90, 2475-2485.
149. Jang, S.; Silbey, R. J. J. Chem. Phys. 2003, 118, 9324.
150. Fowler, G.; Visschers, R.; Grief, G.; van Grondelle, R.; Hunter, C. N. Nature(London) 1992, 355, 848-850.
151. Cogdell, R. J.; Howard, T. D.; Isaacs, N. W.; McLuskey, K.; Gardiner, A. T. Photosynth. Res. 2002, 74, 135-141.
152. Janosi, L.; Kosztin, I.; Damjanovic, A. J. Chem. Phys. 2006, 125, 014903.
153. Kennis, J. T. M.; Streltsov, A. M.; Aartsma, T. J.; Nozawa, T.; Amesz, J. J. Phys. Chem. 1996, 100, 2438-2442.
154. Ma, Y.-Z.; Cogdell, R. J.; Gillbro, T. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 1087-1095.
155. Pullerits, T.; Hess, S.; Herek, J. L.; Sundström, V. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 10560-10567.
156. Jang, S.; Newton, M. D.; Silbey, R. J. J. Chem. Phys. B. 2007, 111, 6807-6814.