菌紫质生物分子膜多波长信息读写系统的研究
中国激光 第 28 卷 第 2 期Vol . A28 , No . 2 2001 年 2 月 February , 2001 C H IN ES E J O U RNAL O F L A S ERS
() 文章编号 : 025827025 20010220176203
菌紫质生物分子膜多波长信息读写
3 系统的研究
1 1 2 2 2
陈 烽 侯 洵 李宝芳 李兴常 江 龙 1 中国科学院西安光机所瞬态光学技术国家重点实验室 西安 710068
2 中国科学院化学所分子科学中心 北京 100062
提要 讨论了新型细菌视紫红质基因变种
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
的光学信息读 、写和擦除特性 ,建立了一套细菌视紫红质生物分子 膜三波长的光信息读写系统 。根据 B 到 P 态的光化学反应过程 ,利用 670 nm 红光实现信息的写入 ; 采用 490 nm 波长光使 P 态复原为基态 ,以擦除所
记录
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的信息 ;利用 B 和 P 态吸收特性的差异 ,选择 594 nm 波长光实现了信息 的读出 。
关键词 细菌视紫红质 ,光致变色 ,光存储
中图分类号 :O 438 文献标识码 :A
Study on Mult i2wavelength ED RAW System of Opt ical Inf ormat ion f or
Bacteriorhodopsin Molecule Fil m
11222CH EN Feng HO U Xun L I Bao2f ang L I Xing2chang J IAN G Lo ng
1 (S t ate Key L aboratory of T ra nsien t O pt ics & Tech nology , X i ’a n I nst i t u te of
O pt ics a n d Fi ne M echa nics , T he Chi nese A ca de m y of S ciences , X i ’a n 710068 ;2 Cen te r of )M olecule S cience , I nst i t u te of Che m ist ry , T he Chi nese A ca de m y of S ciences , B ei j i n g 100101 Abstract () In t his paper , t he characteristics of new gene variant B Rand it s behavior of t he writing , reading and M1B
( erasing of t he informatio n in a bacterior hodop sin film are investigated. A system of t hree2wavelengt h EDRAW Erase
) Direct Read Af ter Writewas co nst ructed. Op tical data was writ ten into B R film wit h 670 nm laser based o n t he B to P p hotochemist ry reactio n. Then t he informatio n was erased wit h 490 nm laser based o n t he reco nversio n of t he p hotop roduct state P. The resulting data could be read out wit h 594 nm laser based o n t he differential absorp tio n of B and P states.
Key words bacterior hodop sin , p hotochro mic , op tical storage
因技术来修饰材料特性是获得菌紫质技术应用成功 1 引言
的关键所在 。通过基因改性 ,可以实现 B R 对不同
(细菌视紫红质 Bacterio r ho dop sin , 简称菌紫质 应用方面的需要 ,如在室温下的长寿命存储和在实 ) 或 B R是一种存在于嗜盐菌紫膜中的光敏蛋白 ,是 时模式识别中的快速光信息处理等 。本文利用新型
到目前为止人们研究得最多 、也最为了解的蛋白质 菌紫质基因变种材料制备了具有优良光致变色特性 1 之一。近年来 ,菌紫质在光信息存储和处理等方 的 B R 高分子聚合体薄膜 ,建立了一套多波长光信
面显示出巨大的应用潜力 ,这不仅表现在自然的 B R 息读写和擦除系统 , 并在此系统上 , 实现 B2P 态之
() 野生 B R材料方面 ,同时更多地显现在各种新型的 间的长寿命光信息存储操作 。 2 基因变种材料上。目前来说 ,能否有效地利用基
2 菌紫质光致变色特性与光信息存储
( ) 3 国家“九五”攀登
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
预选项目 攀登计划 952预220, 某些物质能够吸收特定波长的光 ,从而引起分
() 国家自然科学基金 69907006资助项目 。子结构变化 ,而产生材料颜色的可逆变化的现象被 收稿日期 :1999207226 ; 收到修改稿日期 :1999209224
() 光致变色现象 。如图 1 所示 : B R 分子的 B 态 基态与新的分支态 P 态之
可以形成稳定的光致变色 , B 态与 P 态的光致变 λ 1A B λ 2( ) 可由图 2 表示 。在红光 640 nm 波长附近的照
( ) P 态 1。P 态的吸下 ,B R 分子可被激发到代表 图 1 光致变色机理
Fig. 1 Principle of Photochro matism 峰在 490 nm 左右 , P 态 在 490 nm 光的照射下将
() 回 B R 态 代表 0。使用上述两种波长的光可实
,它们具有不是两种不同分子构型的同一物质 () () 信息的写入 640 nm和擦除 490 nm。由于 B R 光吸收特性 ,在不同波长光的刺激下 ,它们可以 子不同态之间的光吸收带存在一定的重叠 ,这对 可逆的转化 。作为光致变色材料 ,其主要应用 入信息的读出带来了较大困难 。既需要读出光能 为光信息存储介质 ,与传统的基于光化学反应 可靠地提取记录的信息 ,同时又要避免对写入信
() 光材料 如无机银盐 、重氮感光剂等相比 ,最大 的改变 ,即无破坏式的读出 。
点就在于可多次重复使用 。
菌紫质作为一种生物分子的光致变色材料 ,其
变色主要是利用其光循环中基态与其中某些中
之间的相互转换来实现 。B R 的光存储机理是 其光致变色特性 ,将信息以不同分子态加以存 图 2B R 分子的 B 态与 P 态之间的光致变色 把 B 态作为 0 存储 ,而把光致变色中另外一 Photochro mic p roperties of B and P states of Fig. 2
态作为 1 存储 ,并以不同波长的光进行信息Bacterior hodop sin 写和读取 。
( )至今研究最为广泛的是 B R 分子的基态 B 态
( ) 间态 M 态之间的光致变色 ,它在实时信息存
处理等领域已有许多应用成果 。原因是 M 态是
条件 下 B R 的 光 循 环 中 间 态 中 寿 命 最 长 的 一
() 两态的吸收峰值差异较大 160 nm, 易于操
但野生 B R 材料的 M 态寿命也仅仅为数毫秒 , 大制约了它在许多重要领域中的应用前景 ,特 图 3 B R 分子 B 态和 P 态的吸收光谱曲线 在长寿命光信息存储这一有着重要应用前景的
Fig. 3 Absorp tio n spect rum of B and P states 。近年来 ,随着生物基因
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
的迅速发展 ,人们
通过基因改性的方法改变菌紫质光循环过程中 图 3 为 B R 分子 B 态和 P 态的吸收光谱曲线 些关键步骤 ,从而改变菌紫质某些重要的光化 可以看出 P 态的吸收带宽为 450,550 nm ,需要 ,包括获得新的稳态分子结构和改变中间态性 量采用远离菌紫质 P 态吸收峰值波长的光作为 收特性 。Hampp 等在近期研究中发现 B R 光循 出光 ,以避免写入信息被损伤 ,从而导致多次读出 存在新的分支和长寿命 92cis 分支结构 ,这一分 作后的信息的丢失 ; 同时读出光还需要满足通过 3 在常温下的稳定性可能保持在 10 年 以 上。 ( ) 同 B R 分子态 B 态和 P 态后足够的信噪比 ,以 发现对菌紫质在光存储中的应用研究具有重要 确地反应记录信息 。B R 态的吸收 峰 在 570 nm 义 。 (右 随材料的物理 、化学环境等因素的差别可能稍
) 变化,吸收带宽在 540 , 610 nm 附 近 。在 此 波 材料与方法 范围内的光将被 B 态分子吸收 ,通过的光能量将
减弱 ,处于 P 态的 B R 分子如不吸收这一入射光 , 实验材料采用目前新型的 B R 基因变种 M1B ,
过后的光强度将基本不变 ,这一差异将被后面的 与高分子聚合体混合 , 制备成光学性能优良的
测系统所甄别 。因此 ,需要采用 P 态分子吸收带( ) 子聚合体薄膜 Polymer film。制备的薄膜尺
和 B 态分子转化吸收带内波长的光作为读出光 。 μ径 25 mm ,厚度约为 30 m , 570 nm 处的光
由于 B 态向 P 态转化的量子效率远低于 P 态向 B 为 212 , 膜层基底为 2 mm 厚的光学玻璃 。
中国激光28 卷178
[ 4 ] 转化的量子效率,因此远离 P 态吸收峰值且在 B ,可直接将读取信息通过图像采集卡转采集卡构成 态吸收带之内波长的微弱读出光将由于达不到 P 态 换为计算机图形 文 件 。图 中 挡 板 在 执 行 一 种 操 作 的激发阈值而无法将 B 态分子激发到 P 态 ,同时又 时 ,另外两路挡板插入 。
不会将 P 态分子激发回到 B 态 。同时考虑读出信 信息的读出过程为 : 经过准直后的读出光通过 号的对比 , 我们选择了 594 nm 附近波长作为读出 照射已携带记录信息的 B R 膜 ,再经 B R 膜后的成像
系统成像在 CCD 器件上 ,其视频输出信号经图像采 光 ,满足信息读取操作的需要 。
集处理设备将空间光强度变化的图像转换为计算机
图形文件加以存储 。 4 光信息的读Π写Π擦除系统 实验中 ,数据信息的写入激光功率为 100 mWΠB R 的光信息读 、写和擦除系统如图 4 所示 ,包 2 2 cm;读 出 光 强 为 2 mWΠcm; 擦 除 光 强 为 10 mWΠ括了写入 、读出和擦除三部分 : 写入部分由光源 、光 2 2 μcm;最低写入阈值为 27 nJΠm。记录信息的读出 学滤波 、扩束与准直 、成像光学系统及 CCD 实时监
表现为低损伤的读出模式 ,记录三个月后 ,累积连续 测系统组成 。光源是美国 PR EL IM INA R Y 公司的 2 SDL2074702P5 型 L D 抽 运 的 光 纤 耦 合 二 极 管 激 光 ) ( 读出 80 h 平均读出光功率为 2 mWΠcm,图像对
μ器 ,其输出波长为 670 nm , 400 m 的光纤传光束 ; ( ) 比无下降 CR, 1 ?1167 。记录的图像如图 5 所示 光学滤波主要用来改善写入光的均匀性 ; CCD 监测 () 记录 115 天后的读出结果。实验中 ,读出对比度 系统用于成像光路的精密调校 ,包括一个 CCD 器件 (在不同时间的观测中 相同读出光强条件下 ,读出光 和一个显示器 。由 L D 激光器输出的激光束经过滤 2 ) 功率 :2 mWΠcm保持十分稳定 ,这一方面证明了信 波 、扩束和准直以后 ,通过携带有待记录信息的透明
息记录态的稳定性 ,另一方面 ,也证实了读出光未影 片或空间光调制器 , 经过成 像 光 学 系 统 成 像 在 B R
薄膜上 ,利用其光致变色原理将信息记录在 B R 膜 响记录信息的状态 。
上 。B R 膜 后 面 的 成 像 系 统 可 以 将 成 像 情 况 放 大
后 ,由 CCD 实时监测系统转化为视频信号 ,以便于
对记录系统进行精细调整 。
图 5 实验结果
Fig. 5 Experimental result s
实验记录图像的清晰度是由记录 、读出光学系
统的空间分辨率和 CCD 器件的像素大小等因素决
定的 ,特别是后者 影 响 更 为 重 要 ; 如 果 采 用 弱 光 读 出 ,则可以提高信噪比 ,但对 CCD 器件的灵敏度和 图 4 光信息读 、写和擦除系统 动态范围
要求
对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗
较高 。Fig. 4 Schematic of t he set up for E2DRAW of B R film 参 考 文 献
1 N . Hampp , A. Silber . Functio nal dyes f ro m nat ure : 擦除部分较为简单 ,由氩离子激光器和扩束 、准 Potentials for technical applicatio ns. Pu re & A p pl .
() Chem . , 1996 , 68 7:1361,1366 直镜构成 。氩离子激光经过扩束准直后 ,可直接对 2 M . Baco n , C. H. Wang , A. K. Kar et al . . Nanoseco nd 准 B R 膜的待擦除区域实施信息的擦除工作 。氩离 op tical excitatio n dynamics of lo ng M2 state lifetime 子激光 器 是 美 国 光 谱 物 理 公 司 的 Beamlo k2085215 ( ) bacterior hodop sin films. O pt . Com m . , 1996 , 124 1 , 2:
175,183 激光器 ,采用其输出的 488 nm 单线激光 。 Jo hn D. Downie , Dogan A. To mucin , Daniel T. Smit hey 3 () 读出部分由黄光 He2Ne 激光器 波长 594 nm, et al . . Lo ng holograp hic lifetimes in bacterior hodop sin () films. O pt . L et t . , 1998 , 23 9:730,732 成像光学系统 、图像读出系统组成 。图像读出系统 4 G. Mahler , V . May , M . Schreiber . Molecular 由台湾敏通公司的 128821CCD 器件和 HJ 5200 图像 Elect ro nics. New Yor k : Academic Press , 1996 . 359,380