（光学专业论文）菌紫质光诱导折射率变化及在全息存储中的应用研究.pdf

摘蛰 摘要 细菌视紫红质( 菌紫质，b r ) 是一利对光具有奇异光敏特性的生物分子材 料，随着对其结构和特性的深入研究，人们已经能够利用现代基因工程和生化手 段来优化菌紫质的物理和化学性质，使其展现出良好的应用前景。其中光信息存 储足菌紫质的个重要应用领域。基于其光致变色效应，我们可以将它作为一种 可擦写的光学记录材料来研究。我们利用基因改性菌紫质b r - d 9 6 n 样品的b 态 和m 态之间光致变色反应，进行了全息记录方面的应用研究。细菌视紫红质的 光致变色反应导敛光致折射率的变化，对其在不同波长下光致吸收变化与光致折 射率变化量的研究刈于全息记录应用是非常必要的。本论文对b 艮d 9 6 n 样品在 不同波长下光致吸收变化与光致折射率变化特性进行了研究，并在此基础上进行 了角度复用全息记录的初步实验。此外，还测量了野生菌紫质样品的非线性折射 率。宅要工作如下： ( 1 ) 光致折射率变化的理论研究。从介质电极化率实部和虚部之问的 k r a m e r s k r o n i g 关系出发，推导了介质折射率变化与吸收变化之间的理论关系。 通过实验测量菌紫质薄膜样品吸收变化光谱，理论计算得到了菌紫质薄膜样。仙的 光致折射率变化光谱曲线。 ( 2 ) 光致折射率变化的实验测量。采用迈克尔逊干涉方法，测量了b r d 9 6 n 菌紫质薄膜样品在j i a , p 激光波长( 4 0 5 r i m ，4 8 8 n m ，5 1 4 n m ，6 3 3 n m 。6 5 0 r a n ) 下的光 致折射率变化量，并与理论计算曲线进行了比较，二者基本符合。 ( 3 ) 非线性折射率测量。采用z 扫描实验方法，对野生型菌紫质薄膜样品 在6 5 0 r i m 处的非线性折射率进行了测量，发现菌紫质在红光区呈现自散焦效应。 ( 4 ) 角度复用全息存储研究。由光致折射率变化曲线理论计算出了衍射效 率随波长变化曲线。选抒衍刺效率较高且擦除效应较弱的h e n e 6 3 3 n m 激光作为 记录和读出光源，在b r - d 9 6 n 菌紫质薄膜样品上进行了角度复用全息存储实验， 得到了6 幅图像复用结果。 关键词：细菌视紫红质( 菌紫质，b r ) 、光致变色、光致折射率变化、非线性折 射率、角度复用全息存储 菌紫质光皤导折别牢变化及铂：全息存储中的臆用研究 a b s t r a c t b a c t e r i o r h o d o p s i n ( b r ) i sa k i n do fu n i q u ep h o t o s e n s i t i v eb i o l o g i c a lm a t e r i a l w i t ht h ei n v e s t i g a t i o no ft h em o l e c u l a rs t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，b rn o wc a l lb e m o d i f i e da n do p t i m i z e db ym o d e r ng e n e t i ce n g i n e e r i n ga n db i o c h e m i c a lm e t h o d st o i m p r o v ei t sp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c hs h o wac o n s i d e r a b l ev a l u eo f a p p l i c a t i o n o p t i c a ls t o r a g ei sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l do fb r b a s e do ni t s p h o t o c h r o m i cp r o p e r t y ；b rc anb eu s e da sr e w r i t a b l er e c o r d i n gm a t e r i a l + h e r e ，t h e g e n e t i c a l l ym u t a t e db r d 9 6 nf i l mi ss t u d i e da sr e c o r d i n gm a t e r i a li nh o l o g r a p h i c s t o r a g eb yu s i n gt h ec o n v e r s i o nb e t w e e nb - s t a t ea n dm s t a t e t h ep h o t o c h r o m i c r e a c t i o no fb rr e s u l t si nt h ep h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e i ti sn e c e s s a r yt o s t u d yt h ep h o t o i n d u c e da b s o r p t i o nc h a n g ea n dt h ep h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e x c h a n g eu n d e rd i f f e r e n tw a v e l e n g t h sf o rh o l o g r a p h i ca p p l i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h e p h o t o i n d u c e da b s o r p t i o nc h a n g ea n dt h ep h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g eo ft h e b r r d 9 6 nf i l ma r es t u d i e d t h ea n g u l a r l ym u l t i p l e x e dv o l u m eh o l o g r a p h i cr e c o r d i n g i sr e a l i z e do nt h eb r - d 9 6 nf i l m b e s i d e s t h en o n l i n e a rr e f r a c t i v ei n d e xo ft h e w i l d - t y p eb rf i l mi sa l s om e a s u r e db yz s c a nm e t h o d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s i n c l u d e s ： ( 1 ) t h e o r e t i c a ls t u d yo ft h ep h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g eo ft h e b r d 9 6 nf i l m t h et h e o r e t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v e i n d e xc h a n g ea n dt h ep h o t o i n d u c e da b s o r p t i o nc h a n g ew a sd e d u c e df r o mt h e k r a m e r s - k r o n i gr e l a t i o n s h i p b ym e a s u r i n gt h ea b s o r p t i o nc h a n g es p e c t r u mo ft h e b r d 9 6 nf i l m ，t h es p e c t r u mo ft h ep h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ew a s c a l c u l a t e d ( 2 ) e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n to ft h ep h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g eo f t h eb r d 9 6 nf i l m t h er e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e sw e r ed i r e c t l ym e a s u r e db yt h e m e t h o do fm i c h e l s o ni n t e r f e r e n c ea ts e v e r a ll a s e rw a v e l e n g t h s ( 4 0 5 n m ，4 8 8 n m ， 51 4 n m ，6 3 3 n m ，6 5 0 n m ) t h ee x p e r i m e n t a lv a l u e sw e r e c o m p a r e dw i t ht h e a b s t r a c t t h e o r e t i c a lv a l u e s t h e ya r er o u g h l yc o n s i s t e n t ( 3 ) e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n to ft h en o n l i n e a rr e f r a c t i v ei n d e xo ft h e w i l d t y p eb rf i l m t h en o n l i n e a rr e f r a c t i v ei n d e x ( n 2 ) o ft h ew i l d - t y p eb ra t6 5 0 n m w a sm e a s u r e dw i t ht h ez s c a nm e t h o d t h es e l f - d e f o c u s i n ge f f e c to ft h eb rf i l mi n r e d - l i g h tr e g i o nw a s o b s e r v e di nt h ee x p e r i m e n t ( 4 ) s t u d y ona n g u l a r l ym u l t i p l e x e dv o l u m e h o l o g r a p h i cr e c o r d i n g t h e h o l o g r a p h i cd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ys p e c t r u mw a st h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e df r o mt h e p h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g es p e c t r u m b e c a u s ea t6 3 3 n mw a v e l e n g t ht h e d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yi sh i g ha n dt h ee r a s u r ee f f e c ti sl o w , t h eh e - n el a s e r ( 6 3 3 n m ) w a su s e da st h er e c o r d i n ga n dr e a d o u tl i g h t t h ea n g l a r l ym u l t i p l e x e dh o l o g r a p h i c s t o r a g ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tu s i n gb r d 9 6 nf i l ma sr e c o r d i n gm a t e r i a l s i x h o l o g r a m sw e r er e c o r e da n dr e c o n a s t r u c t e d k e yw o r d s ：b a c t e r i o r h o d o p s i n ( b r ) ，p h o t o c h r o m i s m ，p h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e x c h a n g e ，n o n l i n e a rr e f r a c t i v ei n d e x ，a n g u l a r l ym u l t i p l e x e d h o l o g r a p h i cs t o r a g e y6 8 3 1 6 8 科研道德声明 秉承研究所严弹的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。沦文q 所应用的内容都已给予 了明确的注释和致谢。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位沦文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：童至殖闩期：幽a ! 垒i 旦 垒旦 知识产权声明 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定 即：研究生在所攻读学位期问论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生 ：作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院两安 尤。精密机械研究所。产权币位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅平i 借阅；产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩影或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：董卫趑论文作者签名：翌卫魉 同期：量盟壅i 目丝日 晰签名：玉哔 日期：蔓! 型：z ： 垡 第一章引者 1 1 菌紫质的基本性质 第一章引言 上世纪6 0 年代术美国科学家s t o e c k e n i u s 在研究一种称为嗜盐菌( h h a l o b i u m ) 的微生物时发现，它的细胞膜中存在一种特殊的蛋白质，当受到光 照时，这种蛋白质的结构发生变化，通过细胞膜输出质子，由此提供能量合成 a t p 以维持细菌的新陈代谢作用。后来的结构研究表明，这种蛋白质分子在 组成和结构上与脊椎动物视网膜上的视色素视紫红质( r h o d o p s i n ) 非常相似， 因而被取名细菌视紫红质( b a c t e r i o r h o d o p s i n ，简称菌紫质或b r ) 2 1 。 1 1 1 嗜盐菌、紫膜和菌紫质 嗜盐菌是一种属于原始菌( a r c h a e b a c t e r i a l ) 的嗜盐微生物它天然的存在 于盐湖和盐田的结品盐中，需要在高浓度的钠盐、少量的镁和钙盐才能生长和 维持其结构和功能。嗜盐菌的细胞膜可以分为红色和紫色两部分，前者主要包 含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体，而后者十分特殊，在 嗜盐菌细胞膜上呈斑片状( 直径约为o 5 9 m ) ，其总面积约占细胞膜的一半， 这就址能进i r 独特光合作川的紫膜( p u r p l em e m b r a n c e ) 。 紫膜是嗜盐菌细胞中分化的功能单元，在嗜盐菌原生质上以碎片的形式存 在。紫膜的组成为7 5 的蛋白质和2 5 的类脂( 质量比重) ，蛋白质部分只含 有唯一的细菌视紫红质成分，它以二维六角形晶格形式排列于紫膜中。紫膜具 有稳定的结构，具有极佳的热稳定性和光稳定性【3 1 ，不论是在菌体内，还是在重 建的人工膜系统叶1 ，都能保持其完整的结构和功能达数年之久【4 1 。 细菌视紫红质的分子质量为2 6 0 0 0 ，出2 4 8 个氨基酸残基和通过希夫碱基 连接于第2 1 6 位赖氨酸( l y s i n e ) 的视黄醛( r e t i n a l ) 组成。菌紫质的生物功能 是光驱动质子泵，即它利用光能驱使质子跨膜输运，在细胞膜两侧形成重要的 质子电化学梯度，细胞则利用存储于梯度中的能量合成三磷酸腺苷( a t p 】和完 成其它需要能量的生命过程( 如驱动鞭毛使细胞运动) ，即b r 具有光能转换作 用，这过程如图1 1 所示5 】。伴随着电子晶体学的发展，人们将x 射线晶体 衍射技术和低温电子显微镜用于研究菌紫质的结构，目前已经在1 5 5 a 的分辨 菌紫质光晤导折射牢变化及扯全息1 竽储中的应用研究 率水平上研究菌紫质分子表面电子分布情况、内部水分子的位置和光异构化过 程中菌紫质结构的变化【6 1 。 图1 1嗜盐菌光合作用示意图1 5 1 1 2 菌紫质的结构和光循环 菌紫质分子的结构如图1 2 所示【7 1 ，由图中a 可以看到，氨基酸链形成7 次 图1 2b r 分子的结构模型 折叠的跨膜螺旋结构，大体上与膜面垂直，在螺旋肽链之间有短的空穴( 1 0 0 p ) 存在；由图b 知道视黄醛的多烯链部分牢固地固定在蛋白质内，b r 分子的侧 视图和俯视图表明了多烯链的空间结构，跨膜螺旋结构的f 、g 与a 、b 邻接， 形成稳定的空间结构。菌紫质的生色团一视黄醛分子通过质子化的烯夫碱基和 视蛋白质螺旋g 中的2 1 6 号氨基酸相连接视黄醛的多烯链环面垂直于膜表面， 其长轴相对于膜表面的倾角约为2 0 。【5 。通过使用荧光转移技术，在b r 分子的 特殊位置作荧光探针标志，得到了生色团在膜内的位置，测得视黄醛分子距离 第一章引与 m a ll _ t r a n sr e t i n a l l y s 2 16 l a ， 式，气又“c 2 0 妒够a i i i l i l r 、，气，9 宅七，1 r 够矿 c 3 - o c , , - c ，7 h 鹭帮1 1 谨；c 5 1 4 钞蚪伯 0 3 埝7 q 5 咿k 菌紫质光诱导折射书变化及枉今息存储中的应用聊究 的质子化烯夫碱基生色团( 视黄醛) ，实现全反式到1 3 一顺式的分子构型变化， 一般称k 为原初事件，其中k 中存储的能量为1 6 k c a l m o l ，实际在k 之前有另 外一个中l 训体( j ) 存在，但拦使在液氮温度下，j 也是不稳定的，b i r g e 认为j 是b 惫和激发态的混合物，瞬态吸收光谱的研究表明，除了j 之外还存在数 个激发态和中间态，例如：b r * ，1 4 8 0 等。0 1 ，对于新的中间体( 尤其是在原初 2 1 0 k ) 图1 4b r 光循环模型 光化学过程中) 的研究仍然在进行。在循环过程中，b r 除了能通过热驰豫返回 初态外，在光循环的某一时刻，用相应于某个中问体吸收峰值波长的光去照射 样品，也可使光循环不冉经历后面的过程而直接返回初态。如常见的蓝光阻断 光循环后半程，直接出m 念返回b r 。菌紫质光循坏是一个相当复杂的的动力 学过程，它与光驱动质子泵密切相关。 1 2 菌紫质的研究动态 细菌视紫红质的作用是光能转换器，可以利用光能合成a t p ，完成类似于 光合作用的功能，是除植物以叶绿素为基础的光合作用外，人们所知的另一类 生物光能转换系统。菌紫质在生物体外非常稳定，易于大量制取，具有很强的 结构稳定性，对光和环境抗退化能力强，在1 4 0 高温、失水状态及很宽的p h 4 一 笫一章引l - 值范围的环境下仍具有活性，无需特殊的保存条件。菌紫质自从被发现以来， 科学家对其组成、结构、功能、光化学和光物理性质进行了广泛而深入的研究。 1 2 1 菌紫质国内外研究进展 在2 0 世纪7 0 年代，人工膜技术的发展很大程度上促进了对b r 分子的研 究，人们应用电沉积膜技术、l b 膜技术和人工双分子层脂膜技术等方法制备菌 紫质分子人工膜，并对菌紫质分子质子泵原理、细胞膜能量转换和传递等机制 展开了研究，同时也获得了菌紫质分子人工膜在光电响应、非线性光学特性等 应用方面的结果。进入2 0 世纪9 0 年代以后，人们提出应用分子导向技术设计 菌紫质分子人工膜，推动了菌紫质膜在纳米技术领域的实际应用。对菌紫质的 研究可以大致分为以下几个方面： ( 1 ) 对b r 的组成、分子结构的研究：1 9 7 5 年，h e n d e r s o n 】实验上应用 电子显微镜、图象重构和x 射线分析技术，首先解析得到分辨率为7 a 的b r 维a 自体结构，划生色团视黄醛分子通过质子化烯夫碱基连接到蛋白链第2 1 6 号赖氨酸上。1 9 8 8 年，日本的k o u y a m a t l 2 】等人使用荧光能量转移技术 ( f u o r e s c e n c ee n e r g yt r a n s f e rt e c h n i q u e ) ，通过在b r 分子特殊位置上作荧光探 针标记的方法成功地确定了生色团在膜内的位置。1 9 9 0 年，随着电子晶体学 的发展，b r 结构解析的研究进一步发展，在3 5 a 分辨率下，得到了b r 主链 骨架的7 个a 螺旋的空间结构。1 9 9 6 年，g r i g o r i e f f 4 】提出了更加精确的结构 模型，1 9 9 7 年，y o s h i a k i 等人i l5 】利用低温电子显微镜首次揭示了b r 的表面结 构信息，得到了b r 分子在o 3 n m 分辨率水平上的结构图象，该结构包括了几 乎全部的2 4 8 个氮基酸，显示了膜表面两侧带电荷的氨基酸残基的分布情况， 即得到了电子电位图( e l e c t r o np o t e n t i a lm a p ) ，分析得到了质子通道内部和b r 表面的电荷数量和分布的情况。同年，p e b a y p e y r o u l a 等人利用立方脂相 ( c u b i c l i p l d p h a s e ) 技术，获得了二维b r 晶体的单层排列结构，给出了分辨率 为2 5 a 的结构信息。1 9 9 8 年，l u e c k e 和l a n y i ”j 解析得到了2 3 a 的晶体结构， 提出了种质子传递模型，认为质子从s c h i f f 碱基转移到a s p 8 5 是通过i 临近视黄 醛的水分子通道。1 9 9 9 年，l u e c k e 哺】在2 a 的分辨率水平上获得b r - d 9 6 n 突 变体及其受激发所产生的m 态中间体的晶体结构，观察得到在光异构化过程 中，水分子和残基侧链所组成的三维氢键网络的重新排列和视黄醛希夫碱基附 菌紫赝光诱导折射率变化及扯拿息存储中的应用 | j f 究 近的侧链取代。同年，1 5 5 a 的晶体结构被该小组解析得到【1 9 1 ，发现在2 1 6 位 赖氨酸附近，跨膜螺旋g 的中部有7 【结构存在。在2 0 0 0 年，b o o t h 小组1 20 】在b r 的折叠的研究工作中，认为膜蛋白的多步折叠途径是p h 依赖性的，且在b r 的 折叠过程中存在着至少两个中间体，对于b r 折叠的机制的研究，必将为膜蛋 白折叠的研究奠定基础。在理论方面，1 9 9 2 年德国的j a h n i g i2 1 l 对b r 分子的结 构和动力学进行了理论模拟，得到了b r 分子处于稳态时能级结构，其后1 9 9 5 年e d h o l m i ”i 也对b r 分子的结构和动力学进行了理论计算。对于b r 动态研究 方面，多间接地采用光谱学的方法，目前关于菌紫质动力学的二能级和三能级 结构f 2 3 】已经基本上确立。 ( 2 ) 光驱动质子泵是菌紫质特有的功能，科学家对其光驱动质子泵机理展 j i ：了相关的研究。1 9 8 8 年k o u y a m a z j 制作了包含b r 的外囊泡，得到b r 光 诱导质子泵引起的p h 值变化存在于4 9 5 范围，并建立了菌紫质的光驱动质 子泵模型用柬说明其原理。该理论模型认为紫膜的作用是产生电信号的光驱动 质子泵。在光作用下，由紫膜内表面摄取质子，再从紫膜外表面释放质子。1 9 9 0 年h e n d e r s o n l 2 4 】建立了光驱动质子泵机制的模型( 如图1 5 ) 。在b r 中，生色 团基视黄醛通过质子化烯夫碱基连接到赖氨酸残基上，在光照下，b r 丌始光 循环，视黄醛分子中cj 3 _ c 1 4 双键完成从反式到顺式的异构化过程。在此过程 中，质子将通过蛋白质分子，由膜内排出到膜外，造成膜内外质子浓度梯度 细胞利用这种电化学能完成光驱动质子泵功能，k o u y a m a i l 2 i 等人在确定生色团 在膜内的位置实验中，也观察到了这一现象。1 9 9 1 年m a t h i e s 2 5 1 采用共振拉曼 光谱和飞秒动态吸收光谱，直接观测到b r 生色团分子的原初光异构化过程。 他们利用分析光谱的方法研究其光循环动力学，并建立了相应的b r 质子泵模 型。目前还没有一个统一的b r 光驱动质子泵模型，但研究b r 光驱动质子泵 机制的分子动力学，对于动物视觉机理和视觉模拟有非常重要的意义。 在菌紫质光循环过程中，由于光驱动质子泵产生电信号，即呈现光电响应 特性，这大大拓宽了其应用研究领域。国外从事b r 光电响应特性研究工作的 主要是匈牙利和德国的研究小组【2 。国内中科院生物物理研究所和中科院西安 光学精密机械研究所的研究人员也对这一方面进行了研究，他们在1 t o 导电玻 孵一章j i 吉 图1 5b r 光驱动质子泵机制1 2 4 l 璃上制各定向细菌视紫红质电泳沉积膜或l b 膜组成的光电池系统，通过测量该 系统的光电响应信号，对脉冲光电响应和微分响应机制给出了理论解释1 2 ”。 ( 3 ) 光循环过程的研究是菌紫质的另一个很重要的研究方向。菌紫质光循 坏是指在光作用下，b r 将经历一个很快的循环过程，其吸收特性( 颜色) 在】0 m s 内发生迅速变化的现象。目i j f 研究b r 的光循环主要是运用时间分辨u v v 1 s 吸收 光谱、共振拉曼光谱以及傅立时变换红外光谱等方法进行的。最早1 9 7 5 年 l o z i e r | 2 8 1 等通过研究b r 光循环过程中各中间体出现的先后顺序，提出了四个中间 体结构的光循环模型。1 9 9 i 年，o 【2 9 j 等对光循环过程的微分方程进行数值计算， 分析了中m 体k 、l 、m 、n 和o 的自出能及中削体相互转变的动力学参数，提出 了b r k l m 1 一m 2 一n 一0 一b r 的线性模型。为了解释不n p h 值条件下质 子泵的不同机制。1 9 9 3 年- l a n y i 弘叭认为中阃态k 、l 和m j 的自由能相近，m l - - - + m 2 及o b r 自由能变化大，而m 2 、n 和o 的自由能也相近。而m a t h i e s 【2 5 1 等人的模型 足丛f 视黄醛分f 的异构化来分析b r 的毙循环。f i r 常用的模型还育协同模型。 该模型的依据是b r 圆二色谱【3 ”，反应了光循环过程中的协同效应。目前还存在 翦紫所光诱导折射琦喧变化及在伞息存储中的心用 | j f 究 分支( 旁路) 模型，通过研究蜂毒素对紫膜光循环过程中间体m 态衰减速率的影 响1 3 2 1 ，得到m 态衰减可能通过另一途径进行的依据，从而得到解释这一现象的 b r 分支光循环模型。 人们已经使用各种光谱学的技术手段研究菌紫质的光循环模型，由于各种光 循环过程是建寺存不同的实验方法的基础之上，导致了菌紫质光循环模型的不统 一，目前一般认为菌紫质光循环的前半部分( b r 态一m 态) 为不可逆的热驰豫 过程，其反应速率呈下降趋势( 反应时间由飞秒到微秒) ；而b r 光循环的后半程 ( m 态一b r 态) 由于光循环中间产物的时间范围都在毫秒量级，这一过程可能 存在着可逆反应或支链反应。国内中科院生物物理研究所、中科院感光化学研究 所和中科院西安光学精密机械研究所的研究小组也对这一方面进行了研究，他们 用两套具有不同时间分辨率和激发方式的测量系统对菌紫质光循环动力学进行 了泵浦一探测研究并根据实验给出了菌紫质光循环在纳秒到毫秒时域的模型 3 1 1 。 ( 4 ) 菌紫质的非线性光学特性研究。1 9 9 2 年w e m e r l 3 4 1 发现在近红外区域， b r 膜对激光束的传播表现出强烈的自散焦效应，强激光束在通过b r 膜样品后， 出于自相位调制，在光束的传播截面上出现环状模式，根据实验现象讨论了非线 性出现的机制，认为诱导光栅受到b r 光循环中m 和b 态分子数变化的作用。而1 9 9 3 年k u m a r l 3 5 】等人则住实验上观测到了b r 膜的激光诱导瞬时光栅现象。 ( 5 ) 在以上研究的基础上。研究人员进行了菌紫质光学特性应用研究。在 光电器件研究方面， 美国的s i m m e t h 和r a y f i e l d l 3 6 1 将定向的b r 薄膜与数字示 波器的取样头耦合，用3 p s 光激发，在示波器上直接得到了上升时间小于5 p s 的光电压。b r 分子对光强变化的微分响应的特点是：b r 被光照射时，产生一 个正的瞬时脉冲电流，然后降至一个稳定值，而停止光照时，则产生一个负的 脉冲电流。中国科学院西安光学精密机械研究所和生物物理研究所的科学家【3 7 】 用电泳法在不锈钢电极上沉积出定向菌紫质薄膜，构成不锈钢紫膜凝胶铜电 极结构的光接受器，测量对光强变化的微分响应特性，间接得到了视网膜明暗 感觉的相关特性。菌紫质这种固有的光电响应特性使其从分子水平就能实现模 拟神经的兴奋和抑止特性。t a k e i t 3 8 1 等人利用菌紫质薄膜实现了对视网膜中感受 野的模拟。 第一帝弓i 啬 菌紫质材料的光致变色效应是指其光循环中基态与中间态之间的相互转换 而导致可逆颜色变化的现象。菌紫质除具有有机光致变色材料的无须显影定影， 成本低廉等优点外，相比于其它有机光致变色材料它具有极好的抗疲劳性( 循 环使用次数大于1 0 0 万次) 和高的光转换量子效率( 6 4 ) 、高空间分辨率 ( 5 0 0 0 1 i n e s m m ) 、高光灵敏度( 1 0 3 j e r a 2 ) 3 9 1 ，因此其信息存储方面也已丌 展了很多研究。例如，利用菌紫质光循环巾间态中m 态的稳定温度高( 2 0 8 k ) ， 且在光谱上与b r 基态的吸收峰完全分丌，可以实现b 态和m 态之间的完全丌 关，由m 态与b r 基念之j 、日j 的转换进行光信息存储。野生型、化学增强型b r 或基因改性b r 材料的实时全息记录特性都已进行了研究【4 0 彤l ，并在基因改性 材料b r d 9 6 n 上实现了并行图象光存储1 4 “。b r 的这种光致变色特性已在光信 息处理领域中得到了若干应用，如空问滤波和空间光调制1 4 7 j ，位相共轭4 8 i 、光 学信息处理1 4 9 】、光模式识别【5 0 j 、傅立叶变换和处理、光逻辑f q t 5 翻、光寻址 直接显示器【5 卅等。就研究趋势来看，b r 已经出结构特性研究转入了应用丌发 阶段。 1 2 2 菌紫质的应用前景 菌紫质作为一种生物分子材料，对其结构和光学特性的研究表明它有非常良 f c 的应用| 】 景。例如菌紫质的视黄醛生色团有色蛋白在光作用下，产生跨膜的质 子梯度，将光能转变为化学能。作为一个光电转换系统，菌紫质的主要吸收带是 可见光谱区，而其它光合作用色素对可见光区域几乎不吸收，以b r 为基础的光 能转换系统可以更有效的丌发利用太阳能。 在菌紫质光循环中m 态中，m 态的寿命较长，达毫秒到秒量级，而且稳定 温度高( 2 0 8 k ) 。利用m 态与b 态之间的转换，人们展丌了菌紫质在光信息处 理方面的应用研究。例如b r 在实时干涉度量学中用于无损检测，b r 膜用于 空间域中的图象处理一实日j 全息模式识别，许多正在发展的b r 在光子器件中 的应用也都是利用了其光致变色特性。同时，菌紫质也用作各种记录方式的光 存储材料，如令息记录、偏振记录、比特记录等的材料，并表现出了其它光致 变色材料难也比拟的优越性。 基于菌紫质的瞬态光电响应，它可以制作成为快速的光电探测元器件。在 此基础上可以实现模拟视网膜的基本功能，如运动检测、边缘增强等。同时菌 菌紫质光污导折射率变化及在全息存储中的廊用研究 紫质具有的微分响应特性使其从分子水平就能实现对神经兴奋和抑制特性的模 拟，使它成为重要的神经网络材料的来源。 菌紫质很有意义的应用前景是在“生物芯片”的领域。美国的科学家确信， 基于菌紫质生物利料和半导体的混合型计算机将首先问世，它的数据存储量和 处理速度将是当今最先进的电子计算机所望尘莫及的。菌紫质在光循环中会发 生光化学支路反应，因而在该计算机系统中作为存储器可以实现长效、高密的 大容量数据存储功能。出于菌紫质的各种特点和特性，使得它在未来的信息社 会中将占有一席之地。 1 3 本论文的研究内容 本论文着重从光学角度对菌紫质在不同波长下光致折射率变化量进行了理 论和实验研究，并结合菌紫质光学性质进行了全息存储初步实验研究。采用z j 拙法测量了野生菌紫质在6 5 0 n m 波长处的非线性折射率。论文内容安排如下： 第一章：引言。介绍了菌紫质的由来，菌紫质的结构、光循环和基本特性；介绍 了菌紫质的国内外研究状况和发展动向；概括了本论文的内容和结构安 排。 第_ 章：光致折射率变化理论计算。从介质电极化率实部和虚部之间的 k r a m e r s k r o n i g 关系出发，推导了光致折射率变化和光致吸收变化之间 的理论计算关系。在实验上测量菌紫质不同时刻由m 态到b 态的热驰豫 光谱，通过理论计算得到了不同热驰豫时刻对应的光致折射率变化谱。 第三章：光致折射率变化实验测量。介绍了采用迈克尔干涉法测量光致折射率变 化的方法和原理，通过对实验中测得的数据进行处理，得到了菌紫质薄 膜对应不同波长光的光致折射率变化实验值。并与理论计算曲线进行了 比较，二者基本符合。 第四章：非线性折射率实验测量。介绍了z 扫描法测量非线性折射率的原理，采 用i 幺实验方法对野生菌紫质样品在6 5 0 n m 处的非线性折射率进行了测 量，发现菌紫质样品在红光区呈现出自散焦效应。 第五章：菌紫质角度复用全息存储。介绍了全息光存储研究进展：由理论计算得 到的衍射效率光谱曲线，选择衍射效率较高且擦除效应较弱的 第一章引言 h e n e 6 3 3 n m 激光作为记录和读出光源，在b r d 9 6 n 菌紫质薄膜样品上 进行了角度复用全息存储实验，得到了6 幅图像复用结果。 参考文献 1 s t o e c k e n i u sw r o w e nr am o r p h o l o g i c a ls t u d yo fh a l o b a c t e r i u mh a l o b i u m a n di t sl v s i si nm e a d i ao fl o ws a l tc o n c e n t r a t i o n jc e l lb i o l ，1 9 6 7 ，3 4 ：3 6 5 - 3 9 3 2 o e s t e r h e l td s t o e c k e n l u swr h o d o p s i n l i k ep r o t e i nf r o mt h ep u r p l em e m b r a n e o f h a l o b a c t e r i u mh a l o b i u m n a t u r e ，1 9 7 1 ，2 3 3 ：1 4 9 1 5 2 3 h u m p h r e yw ，b a m b e r ge ，s c h u l t e nk ，e ta 1 p h o t o p r o d u c t so fb a c t e r i o r h o d o p s i n m u n t a n t s ：a m o l e c u l a r d y n a m i c ss t u d y b i o p h y sj ，1 9 9 7 ，7 2 ：1 3 4 7 1 3 5 6 4 d e s t e r h e l td ，b r a u c h l e ，h a m p pn b a c t e r i o r h o d o p s i n ：ab i o l o g i c a lm a t e r i a lf o r i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g qr e vb i o p h y s ，1 9 9 1 ，2 4 ：4 2 5 - - - 4 7 8 5 h a m p pn b a c t e r i o r h o d o p s i na sap h o t o c h r o m i cr e t i n a lp r o t e i nf o ro p t i c a l m e m o r i e s c h e mr e v , 2 0 0 0 ，1 0 0 ：17 5 5 - 17 7 6 6 l u e c k eh ，s c h o b e r tb ，r i c h t e rht ，e ta 1 s t r u c t u r eo fb ra t i 5 5ar e s o l u t i o n jm o lb i o l ，1 9 9 9 ，2 9 1 ( 4 ) ：8 9 9 - 9 1 1 7 o e s t e r h e l tf ，o e s t e r h e l td ，p f e i f f e rm ，e n g e la ，g a u bhe ，m i i l l e rdj u n f o l d i n gp a t h w a y so fi n d i v i d u a lb a c t e r i o r h o d o p s i n s s c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 8 8 ( 5 4 6 3 ) 1 4 3 t ， b a c t e “o r h o d o p s i n ， ， ， ， 1 苗紫质光诱导折射率变化驶在全息存储中的应用研究 10 b a l d w i njm ，h e n d e r s o nr ，b e c k m a ne ，z e m l i nfi m a g e so fp u r p l em e m b r a n c e a t2 8ar e s o l u t i o no b t a i n e db yc r y o - e l e c t r o nm i c s c o p y jm o lb i o l ，19 8 8 ，2 0 2 ： 5 8 5 5 9 l 1l _ h e n d e r s o nr ，u n w i npn t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fp u r p l em e m b r a n c e o b t a i n e db ye l e c t r o nm i c r o s c o p y n a t u r e ，1 9 9 5 ，2 5 7 ( 5 5 2 1 ) ：2 8 - 3 2 1 2 k o u y a m at ，k i n o s i t akj ，i k e g a m i a s t r u c t u r ea n df u n c t i o no f b a c t e r i o r h o d o p s i n a d vb i o p h y s ，1 9 8 8 ，2 4 ：1 2 3 1 7 5 1 3 h e n d e r s o nr ，b a l d w i njm ，c e s k ata ，z e m l i nf ，b e c k m a n ne ，d o w n i n gkh m o d e lf o rt h es t r u c t u r eo fb a c t e r i o r h o d o p s i nb a s e do nh i g h r e s o l u t i o ne l e c t r o n c r y o m i c r o s c o p y jm o lb i o l ，1 9 9 0 ，2 1 3 ( 4 ) ：8 9 9 - 9 2 9 1 4 g r i g o r i e f fn ，c e s k ata ，d o w n j i n gkh ，b a l d w i njm ，h e n d e r s o nr e l e c t r o n c r y s t a i l o g r a p h i cr e f i n e m e n t o ft h es t r u c t u r eo fb a c t e r t i o r h o d o p s i n jm o lb i o l ，1 9 9 6 ，2 5 9 ( 3 ) ：3 9 3 4 2 1 1 5 k i m u r ayv a s s y l y e vdgm i y a z a w aa ，e ta 1 s u r f a c eo fb a