菌紫质光信息存储方法技术

本发明专利技术利用菌紫质（ＢＲ）的光致变色特性将信息以不同的分子态加以存储，其特征是用三种不同波长的激光激发，实现信息的写入、读出和擦除。运用近场光学方法突破传统光学系统受光学衍射极限的限制，充分发挥了菌紫质的光存储能力。装置中用ＣＣＤ实时监控和实时信息采集处理，提高了信息记录的信噪比和读出信息处理的速度。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在一种公知的生物光存储材料——菌紫质上存储信息的方法及其装置，属于激光、材料和信息存储领域。信息化社会的发展离不开高性能的存储介质，同时存储技术也一直是信息技术中最重要也是发展最快的部分之一。在计算机技术飞速发展的今天，对高速大容量存储技术和随机快速存储技术的发展需求甚为迫切，而现行的存储介质(如半导体存储器、磁盘、光盘、磁带等)，由于自身材料的性能而受到很大限制(如半导体光刻技术以临近极限、硅单晶的生长和掺杂工艺的要求也越来越高。同时随着集成度的不断提高，元件间距不断缩小，使元件间的干扰日趋严重，散热问题也难以解决)。因此，人们在迫切寻找新的材料代替目前的记录材料。光盘是继缩微技术(适于40年代)和磁性存储介质(适于60年代)之后发展起来的一种崭新的也是最为成功的一种信息存储系统。它通过激光束照射到旋转的盘片(由保护层、记录介质层、反射层和基片组成)上，利用记录介质层所发生的物理或化学变化，从而改变光的反射和透过强度而进行二进制信息的记录。它的特点是存储密度高、信息容量大、保存时间长。光盘可分为三大类型只读型光盘(ROM)、一次写多次读型光盘(WORM)和可擦除型光盘(EDRAW)。本专利技术所涉及的是EDRAW型光盘。EDRAW光盘不同于CD和WORM光盘，其存储是可逆的，即写读和擦除。目前这种类型的光盘主要基于磁光效应、可拟相变和光致变色，目前商品化的EDRAW光盘采用的均系无机材料。而本专利技术所述及的存储方法是在一种生物光存储材料上进行的超高密度光信息存储，可以应用于EDROM超高密度光盘。本世纪八十年代以来，人们发现某些生物分子具有优异的光致变色、高速光电响应和开关存储及自装配与自组织的功能，能够满足今后高速、大容量存储和数据信息并行处理的需求，从而在全球范围内兴起了生物分子器件和生物分子计算机研究的热潮。嗜盐菌紫膜光敏蛋白-细菌视紫红质(Bacteriorhodopsin，简称菌紫质或BR)就是其中的杰出代表。细菌视紫红质是野生嗜盐菌(Halobacterium，halobium)细胞膜上自然形成的二维结晶—紫膜(Purple membrane，PM)中唯一的蛋白成分，分子量约为26000。它的组织在盐浓度比海水高6倍多的盐沼中生存，紫膜中包含蛋白质—细菌视紫红质和磷脂基质(蛋白质∶磷脂＝3∶1)，并形成具有准晶体结构的三聚物，这种三聚物在细菌细胞中具有跨膜运输质子的质子泵功能，通过吸收光子，细菌视紫红质可以从暗适应状态转化为光适应状态，并引发一个带有许多中间态(bR-K-M-N-O-P-bR)的光循环过程，从而产生跨膜质子梯度，完成质子从细胞质侧(Cytoplasmic)向细胞外侧(Extracellular)的跨膜传输，将光能转化为化学能来把磷酸盐和ADP合成为能量物质ATP。细菌视紫红质为垂直于细胞膜表面的含7个α螺旋的多肽棒，多肽键跨过膜，其C端在膜内，N端在膜外，质子通过席夫碱完成跨膜传输。由BR材料制备的生物分子膜是目前发现的唯一的结晶生物膜，它具有独特的光驱动质子泵和顺反开关功能，及双稳态和快速光电响应特性，特别是它的优良光致变色性能在光存储领域深具发展的前景，已经逐渐成为国际上普遍关注的光存储和光信息处理的新型热点材料。本专利技术的目的是设计一种基于生物材料光致变色机制的细菌视紫红质生物分子超高密度光存储方法，用以实现在新型生物存储介质-细菌视紫红质上的大容量、超高密度的信息存储。本专利技术系利用菌紫质(BR)的光致变色特性，将信息以不同分子态加以存储，其特征是用三种不同波长的激光激发，实现信息的写入，读出和擦除。将菌紫质分子的B态(基态)代表“0”或“1”，将光致变色中的其中一个中间态P态代表“1”或“0”，用波长620～670nm的激光照射，使菌紫质的分子从B态的“0”或“1”→P态的“1”或“0”，实现信息的写入；用波长470--500nm的激光照射，使菌紫质分子人P态的“1”或“0”返回B态的“0”或“1”，实现信息的擦除，用位于P态分子吸收带外，B态分子吸收带内波长的光作为读出光，读出光波长为585--610nm。写入、读出、擦除的激发光最佳波长分别为640nm、594nm、490nm。可采用近场光学方法以突破传统光学系统受光学衍射极限的限制，充分发挥菌紫质的光存储能力。菌紫质光信息存储方法的装置，其特征是按光路传递顺序，写入部分包括光源、扩束器、准直镜、空间光调制器、成象光学装置和监视器；读出部分包括光源、扩束器、准直器、成象光学准直和图象读出器；擦除部分包括光源、扩束器、准直器，菌紫质生物分子膜存储器件置于写入部分成象光学装置成象面处，该位置也位于擦除部分准直器后及位于读出部分的成象光学装置与准直器之间成像光学装置的物面装置。写入、读出、擦除三部分的光源分别为输出波长为620--670nm、585--610nm、470--500nm的激光器。在写入、读出、擦除三部分的光路中，均分别设有活动遮光挡板。写入部分的监视器是CCD器件、计算机、显示器构成的实时监测装置，读出部分的图象读出器是CCD器件、图象采集卡、图象数据处理软件与计算机共同构成的装置。附图及实施例附图说明图1为BR分子B、P态的吸收光谱曲线；图2为BR分子光信息存储方法的装置示意图；图3为分子膜光存贮器件正面图。菌紫质作为一种生物分子的光致变色材料，其光致变色主要是利用其光循环中基态与其中某些中间态之间的相互转换来实现。菌紫质具有许多其他光致变色材料所无法比拟的优点如利用BR分子不同中间态之间的光致变色特性，可以获得不同存储寿命的光存储性能，因而具有多种用途，特别是长寿命存储特性更是具备今后用作可反复擦写的光存储介质的理想条件；BR光循环次数可达到107次，使用次数近乎无限；可以组装成分子器件实现高密度的信息存储；通过基因工程的DNA修饰和材料生物、化学改性，可以按照人们的意志改变其某些光化学特性。此外，BR取材容易，同时易于大量繁殖培养，成本低廉；以上优点使得菌紫质有望成为一种重要的信息存储材料。BR的光存储就是利用了其光致变色特性，将信息以不同分子态加以存储，如把B态作为0存储，而把光致变色中另外一个态作为1存储，并以不同颜色的光进行信息的擦写和读取。菌紫质分子的B态(基态)与新的分支态P态之间可以形成稳定的光致变色，在红光(640nm波长附近)的照射下，BR分子可被激发到P态(代表1)。P态的吸收峰在490nm，P态在490nm光的照射下将返回BR态(代表0)。使用上述两种波长的光可实现信息的写入(640nm)和擦除(490nm)。由于BR分子不同态之间的光吸收带存在一定的重叠，这对于写入信息的读出带来了较大困难。既需要读出光能够可靠地提取出记录的信息，同时又要避免对写入信息的改变，即无破坏式的读出。图1为BR分子P态的吸收光谱曲线。可以看出其吸收带宽为450～550nm光谱范围，需要尽量采用远离菌紫质P态吸收峰值波长的光作为读出光，以避免写入信息被损伤，从而导致多次读出操作后的信息的丢失；同时读出光还需要满足通过不同BR分子态(B态和P态)后足够的信噪比，以准确地反应记录信息。BR态的吸收峰在570nm左右，吸收宽带在540～610nm附近。图1 BR分子B态和P态的吸收本文档来自技高网...

【技术保护点】
菌紫质光信息存储方法，系利用菌紫质（ＢＲ）的光致变色特性，将信息以不同分子态加以存储，其特征是用三种不同波长的激光激发，实现信息的写入，读出和擦除。

【技术特征摘要】
1.菌紫质光信息存储方法，系利用菌紫质(BR)的光致变色特性，将信息以不同分子态加以存储，其特征是用三种不同波长的激光激发，实现信息的写入，读出和擦除。2.根据权利要求1所述的菌紫质光信息存储方法，其特征是将菌紫质分子的B态(基态)代表“0”或“1”，将光致变色中的其中一个中间态P态代表“1”或“0”，用波长620～670nm的激光照射，使菌紫质的分子从B态的“0”或“1”→P态的“1”或“0”，实现信息的写入；用波长470～500nm的激光照射，使菌紫质分子从P态的“1”或“0”返回B态的“0”或“1”，实现信息的擦除，用位于P态分子吸收带外，B态分子吸收带内波长的光作为读出光。3.根据权利要求2所述的菌紫质光信息存储方法，其特征是读出光波长为585～610nm。4.根据权利要求2或3所述的菌紫质光信息存储方法，其特征是写入、读出、擦除的激光波长分别为640nm、594nm、490nm。5.根据权利要求1或2或3所述的菌紫质光信息存储方法，其特征是采用近场光学方法以突破传统光学系统受光学衍射极限的限制，充分发挥菌紫质的光存储能力。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈烽，杨青，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]