Е.П. Гребенников, ОАО ЦНИТИ "Техномаш"
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАКТЕРИОРОДОПСИНСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК
|
Исследуются бактериородопсинсодержащие полимерные пленки в целях организации на их основе процессов обработки информации. Базовые процессы преобразования информации бактериородопсинсодержащими средами определяются обратимыми светозависимыми изменениями показателей поглощения и преломления. Рассматриваются оптико-физические, технологические и конструкционные свойства бактериородопсинсодержащих полимерных пленок. |
Функциональные оптико-физические
свойства БР-содержащих полимерных пленок при нормальных условиях
Функциональные оптико-физические
свойства
БР-содержащих полимерных пленок при нормальных условиях
Рабочая область плотности мощности излучения. Под действием светового потока HeNe-лазера с длиной волны – 0,63 мкм достаточной плотности мощности бактериородопсин (БР) меняет свои оптические характеристики, в частности коэффициент поглощения. На длине волны 410±10 нм поглощение увеличивается, на других длинах волн – уменьшается. Происходит это в результате перехода БР из формы БР570 в другие формы, в том числе М412. Важно определить начало изменений характеристик (порог чувствительности) и область заметных изменений в допустимых пределах воздействия. Допустимым пределом, по-видимому, следует считать значения плотности мощности, приводящие к насыщению или значительному (выше 30°С) нагреву БР.
Нами определялось
изменение пропускания БР-содержащей полимерной пленкой тестирующего (слабого)
излучения на фиксированных длинах волн при действии на эту же область пленки излучения
HeNe-лазера определенной плотности мощности.
За значение чувствительности 
в этом и
последующих экспериментах принималось отношение изменения пропускания при данном
уровне воздействия к пропусканию БР в отсутствии воздействия.
Плотность мощности HeNe-лазера оценивалась с помощью измерителя средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н. Изменение плотности мощности осуществлялось набором калиброванных нейтральных светофильтров.
Предварительно ослабленный свет от осветителя проходил через пленку БР и попадал в монохроматор МДР4-2, выделявший интересующую нас область длин волн (570, 410, 610 нм и пр.). Расположенное на выходе монохроматора фотоприемное устройство ФЭП4 преобразовывало свет в электрический сигнал, который усиливался усилителем постоянного тока и регистрировался самописцем.
|
|
| Рис. 1. Определение рабочей области плотности мощности излучения |
Результаты представлены на рис. 1. При освещении БР излучением HeNe-лазера с плотностью мощности выше 0,1 мВт/см2 наблюдается изменение сигнала на выходе фотоприемного устройства. Максимальное значение плотности мощности составило 400 мВт/см2. Более высокие значения плотности мощности не использовались, так как даже при 400 мВт/см образцы могли нагреваться на несколько градусов за время измерения (несколько секунд).
При плотности мощности HeNe-лазера 100 мВт/см2 пропускание БР излучения на длине волны 570 нм и 610 нм увеличивается в 4,5 и 3 раза соответственно, а на длине волны 410 нм уменьшается в 2,5 раза по сравнению с пропусканием необлученного БР. Рабочей областью следует, по-видимому, выбрать значения плотности мощности от 1 до 100 мВт/см" Такие изменения пропускания могут быть использованы для преобразования информации.
Динамические характеристики БР. Под динамическими характеристиками мы подразумеваем временные характеристики изменений (увеличение – уменьшение) пропускания пленок БР на тестирующих длинах волн при включении и выключении излучения фиксированной плотности мощности HeNe-лазера. Значение этих характеристик позволяет оценить быстродействие отклика БР на внешнее воздействие.
Исследовались БР-содержащие пленки при нормальной температуре.
|
|
|
Рис. 2. Динамические характеристики БР, встроенного
в желатиновую матрицу: |
Непрерывное излучение HeNe-лазера с плотностью мощности порядка 100 мВт/см освещало пленку БР в течение некоторого фиксированного интервала времени, определяемого оптическим затвором. Длительность освещения менялась от 0,25 до 50 с.
Отметим некоторые характерные особенности фотоотклика. При действии излучения лазера в спектральной области 370-450 нм поглощение тестирующего излучения увеличивалось (максимально – вблизи 410 нм); в области 455-460 нм изменений не наблюдалось; в более длинноволновой области (460-610 нм) увеличивалось пропускание тестирующего излучения, причем наиболее сильно вблизи 570 нм.
В кривых фотоотклика (рис. 2) как с момента начала действия излучения HeNe-лазера, так и после его окончания отчетливо наблюдаются две фазы – фаза быстрого (десятые доли секунды), а затем фаза медленного (десятки секунд) роста (и спада) фотоотклика.
Фактически основные изменения состояния БР (80%) происходят в течение первых 1-2 секунд, а затем идет "накопление" изменений. Почти на всех длинах волн наблюдается задержка (рис. 2,А) момента начала спада отклика после окончания действия излучения HeNe-лазера. Время задержки в некоторых случаях достигает 0,75 с.
Изменение контраста амплитудной картины и просветление БР-содержащей среды при прохождении лазерного излучения. Помимо исследования прохождения тестирующего излучения при действии HeNe-лазера оценивалось изменение пропускания БР-содержащих сред и на длине волны 632,8 нм.
Измерения проводились в непрерывном режиме на установке для регистрации прошедшего излучения, содержащей устройство с постоянным набором последовательности нейтральных светофильтров на пути лазерного луча и перемещаемого внутри последовательности образца с БР-содержащей средой.
|
|
| Рис. 3. Изменение пропускания БР-содержащей пленки от плотности мощности проходящего потока лазерного излучения |
Характерная
зависимость пропускания от плотности мощности проходящего излучения HeNe-лазера
через образец с БР приведена на рис. 3. Из этой зависимости следует, что
пропускание БР (на длине волны 632,8 нм) возрастает и БР-содержащая среда просветляется.
Рост пропускания с увеличением плотности мощности лазерного излучения означает
возможность увеличения контраста амплитудной картины, создаваемой на поверхности
БР-содержащей среды. В частности, на основании приведенной кривой нетрудно посчитать,
что в рабочей области контраст 
, определяемый из соотношения 
где
и 
– интенсивности света в двух разных участках
на поверхности БР-содержащей среды, после прохождения через эту среду изменится
от исходного 0,82 (для = 100 мВт/см2 и = 10
мВт/см2) до 0,84.
Оценка устойчивости полимерных БР-содержащих пленок к длительному воздействию лазерного излучения. Для исследований использовался HeNe-лазер непрерывного действия ЛГН-213 со средней мощностью свыше 40 мВт на длине волны 632,8 нм и плотностью мощности порядка 0,6 Вт/см2 в пятне диаметром 3 мм. Среднее время облучения образца – 7 ч в сутки, что соответствует дозе 15 кДж/см излучения. Максимальная доза составила 370 кДж/см. Эксперимент проводился при нормальной температуре.
|
|
|
Рис. 4. Изменение свойств БР в результате длительного воздействия лазерного излучения |
В ходе эксперимента измерялись изменение пропускания БР на длине волны 565 нм и чувствительность на той же длине волны к импульсному воздействию излучения HeNe-лазера с плотностью мощности =200 мВт/см2.
Отмечено, что при дозах, больших 100 кДж/см, увеличивается пропускание и уменьшается чувствительность. При дозе = 370 кДж/см2 (более 200 ч облучения) пропускание на длине волны 565 нм возрастает примерно на 30 %, а чувствительность падает вдвое (рис. 4).
Условия функционирования БР-содержащих пленок предполагают, что диапазон воздействий на пленки составляет 1 – 50 мВт/см2, что в среднем составляет 25 мВт/см. При указанной плотности мощности доза облучения 370 кДж/см2, при которой чувствительность уменьшилась вдвое, будет достигнута через 4000 ч.
Изменение функциональных оптико-физических свойств БР-содержащих полимерных пленок в результате воздействия дополнительных факторов
Изменение чувствительности и пропускания БР-содержащих полимерных пленок при нагревании. Изменение чувствительности и пропускания в зависимости от температуры исследовалось на установке, включающей термостат, нагревательный элемент, осветитель, монохроматор, фотоприемное устройство с регистратором, HeNe-лазер непрерывного действия, оптический затвор.
Нагретая в термостате до определенной температуры (25-95°С с погрешностью ±0,5°С) БР-содержащая полимерная пленка подвергалась кратковременному (от 0,25 до 20 с) воздействию излучения HeNe-лазера с плотностью мощности 300 мВт/см2. Изменение пропускания регистрировалось на диаграммной ленте самописца в виде "всплесков", по которым можно судить об относительном изменении пропускания, т.е. чувствительности БР-содержащих полимерных пленок, и динамике процесса. Полное время эксперимента не превышало 50 мин.
Отмечено, что при нагревании начальное пропускание (до действия излучения HeNe-лазера) образцов изменяется (рис. 5), причем на длине волны 565 нм увеличивается более чем на 20 %, а на длине волны 410 нм уменьшается почти на 10 % при температуре 95°С. Чувствительность БР уменьшается на обеих длинах волн почти в 5 раз, причем на длине волны 565 нм несколько быстрее (рис. 6).
|
|
|
| Рис. 5. Изменение пропускания БР-содержащих пленок в условиях термического воздействия |
Рис. 6. Изменение воздействия чувствительности в условиях термического воздействия |
Изменение динамических характеристик БР-содержащих пленок при нагревании. При увеличении температуры наблюдаются также и изменения динамических характеристик БР-содержащих пленок. Характерная картина изменений представлена на рис. 7, 8.
На участках нарастания и спада отклика на импульсное воздействие излучения HeNe-лазера по-прежнему присутствуют "быстрые" (порядка секунды) и "медленные" (порядка десяти секунд) составляющие. С повышением температуры "быстрая" временная составляющая сначала сокращается с 2 до 0,6 с при 80°С на А = 565 нм, а затем возрастает до 2 с при 90°С. "Медленная" временная составляющая с повышением температуры до 90°С возрастает от 20 с в несколько раз. Существующее отставание момента начала спада отклика от момента прекращения действия лазерного импульса порядка 0,75 с при 25°С сокращается до 0,25 с при 80°С.
|
|
|
| Рис.
7. Изменение динамических характеристик |
Рис. 8. Изменение динамических характеристик |
Восстановление чувствительности и пропускания БР-содержащих полимерных пленок после нагревания. Предварительно проводилась оценка чувствительности образцов на фиксированной длине волны (570 нм) при уровне воздействия излучения HeNe-лазера с плотностью мощности около 200 мВт/см2.
|
|
| Рис. 9. Восстановление чувствительности |
В области температур 60-80°С, при которых БР-содержащие пленки выдерживались по 30 мин, а затем остывали до нормальной температуры, в начальный момент после нагрева наблюдалось падение чувствительности, а затем по мере остывания и 30-минутного "отдыха" – полное восстановление свойств БР (рис. 9). Заметное необратимое уменьшение чувствительности начиналось с 90°С. После 30-минутного прогрева при 130°С чувствительность остывшего БР уменьшалась наполовину, а после 30-минутного прогрева при 140°С чувствительность составила 15% от начальной.
|
|
|
Рис. 10. Восстановление пропускания |
Отмечено (рис. 10), что если в начальный момент образцы демонстрировали увеличение пропускания на 20% и более, то затем, по мере остывания, пропускание уменьшалось практически до прежнего значения (для 60-80°С) или до некоторого промежуточного значения, тем большего, чем выше была температура (для 90-140°С).
Изменение поглощения и чувствительности БР-содержащих полимерных пленок после воздействия УФ-излучения. В процессе изготовления структур, содержащих БР, последний в некоторых случаях подвергается действию интенсивного УФ-излучения (спектральная область 250-400 нм). Необходимо знание предельно допустимой для БР дозы, т.е. максимальной дозы, при которой необратимые изменения в БР еще не приводят к существенному ухудшению характеристик БР-содержащих полимерных пленок, например, к потере чувствительности.
Предварительно оценивались чувствительность образцов на фиксированной длине волны (570 нм) при уровне воздействия излучения HeNe-лазера с плотностью мощности около 200 мВт/см2. Пленки БР подвергались воздействию различных доз УФ-излучения, после чего определялась их чувствительность к свету HeNe-лазера.
Для УФ-облучения использовалась ртутно-кварцевая лампа ПРК-7М с излучением в спектральном диапазоне 310-390 нм. Поток УФ-излучения после фильтра УФС-5 составлял – 6,0 мВт/см2. Плотность мощности УФ-излучения определялась с помощью калиброванного в УФ-области фотоэлемента Ф17. Значение дозы УФ-излучения линейно зависит от времени облучения. Доза 200 Дж/см2 набиралась примерно за 10 ч.
|
|
| Рис. 11. Изменение поглощения
и чувствительности БР под действием |
Отмечено, что совместное воздействие температуры и УФ-излучения разрушает БР существенно быстрее. Для устранения теплового нагрева пленок БР применялись интенсивный теплоотвод и светофильтр УФС-5 толщиной 5 мм.
Результаты испытаний показали (рис. 11), что при дозе УФ-излучения 20 Дж/см2 чувствительность БР-содержащих пленок на длине волны 565 нм падает по сравнению с необлученными БР-содержащими пленками в 1,6 раза, а при дозе 200 Дж/см2 – более чем в 2,5 раза.
В одном из экспериментов БР-содержащая пленка подвергалась воздействию излучения ртутно-кварцевой лампы ПРК-7М с фильтром УФС-5 в общей сложности почти 30 ч. После получения пленкой дозы УФ-излучения около 600 Дж/см ее поглощение упало в 3 раза, а чувствительность – в 10 раз.
Предельно допустимой дозой УФ-излучения следует, по-видимому, считать 10 Дж/см , при которой ухудшение чувствительности составляет около 20%.
Совместное действие УФ-излучения и излучения HeNe-лазера. Совместное воздействие излучения HeNe-лазера и нагревания. Облучению подвергались образцы, имевшие начальное пропускание на длине волны 565 нм около 20%. Изменение поглощения и чувствительности участков БР-содержащих пленок, подвергшихся совместному воздействию, измерялось относительно участков, подвергшихся воздействию только УФ-излучения или только нагреву.
|
|
|
Рис. 12. Изменение пропускания БР-содержащих |
В экспериментах по совместному воздействию использовались источник УФ-излучения с плотностью мощности -6 мВт/см2 в спектральном диапазоне 310-390 нм и HeNe-лазер непрерывного действия с плотностью мощности, постоянной в течение одного эксперимента и составляющей 50, 100, 200, 300 и 600 м Вт/см. Доза УФ-излучения была всегда одинаковой (-35 Дж/см2), т.е. время экспозиции одинаково и составляет -100 мин (рис. 12).
В ходе экспериментов измерялось изменение оптического пропускания после каждого совместного облучения. Обнаружено необратимое увеличение оптического пропускания БР с ростом дозы излучения HeNe-лазера от 300 Дж/см2 до 3600 Дж/см2, составившее от 3 до 7% соответственно сверх того, что обусловлено действием только УФ-излучения (-7%).
|
|
| Рис. 13. Изменение пропускания БР-содержаших пленок в процессе нагревания и воздействия излучения HeNe-лазера |
Для экспериментов по совместному действию теплоты и лазерного излучения использовался непрерывный HeNe-лазер, обеспечивающий излучение на длине волны 632,8 нм с плотностью мощности до 500 мВт/см2, а также термостабилизатор, позволявший поддержать в течение нескольких часов температуру образцов в пределах 60-90°С с погрешностью ±1°С. В ходе экспериментов доза воздействия излучения HeNe-лазера сохранялась постоянной (450 Дж/см). Постоянство дозы воздействия при различных значениях плотности мощности излучения достигалось различным временем экспозиции (от 15 мин до 5 ч).
Отмечено, что совместное действие нагрева и излучения HeNe-лазера вызывает увеличение оптического пропускания БР-содержащих пленок по сравнению с изменением оптического пропускания в результате действия только нагревания. Как видно из графика (рис 13), при температурах 60, 80°С и при одинаковой дозе воздействия излучения HeNe-лазера более высокая плотность мощности приводит к большему увеличению оптического пропускания.
Для температуры 90°С обнаруживается минимум в увеличении пропускания вблизи плотности мощности 200 мВт/см2. Рост пропускания БР-содержащих пленок при снижении плотности мощности излучения HeNe-лазера, по-видимому, связан с увеличением времени пребывания БР при температуре 90°С.
Заключение
Рассмотрены свойства бактериородопсина, используемые при обработке информации. Для технических целей предложены БР-содержащие полимерные пленки, обоснован выбор полимерной матрицы для размещения БР в пленках и определены их конструкционно-технологические характеристики. Проведена оценка: рассеяния оптического излучения в пленках, показателя преломления БР-содержащих полимерных пленок, оптической неоднородности, обусловленной качеством поверхности и распределением концентрации БР вдоль поверхности пленки, а также выполнено измерение показателя преломления БР в составе воздушно-сухих пленок.
В плане исследований функциональных оптико-физических свойств БР-содержащих полимерных пленок при нормальных условиях определены рабочая область плотности мощности излучения и динамические характеристики БР. Получены данные по устойчивости полимерных БР-содержащих пленок к длительному воздействию лазерного излучения. Оценено возможное изменение контраста амплитудной картины и просветление БР-содержащей среды при прохождении лазерного излучения.
Исследовано влияние на функциональные оптико-физические свойства БР-содержащих полимерных пленок воздействия дополнительных факторов, возникающих в ходе технологических процессов или эксплуатации, в том числе: изменение чувствительности и пропускания БР-содержащих полимерных пленок при нагревании, изменение динамических характеристик БР-содержащих пленок при нагревании, восстановление чувствительности и пропускания БР-содержащих полимерных пленок после нагревания, изменение поглощения и чувствительности БР-содержащих полимерных пленок после воздействия УФ-излучения, а также совместное действие УФ-излучения и излучение HeNe-лазера и совместное воздействие излучения HeNe-лазера и нагревания.
Характерной особенностью бактериородопсина в составе исследуемых полимерных пленок является его способность к частичному или полному восстановлению своих свойств после прекращения воздействия на него разрушающих факторов, которые могут возникать в процессе изготовления или эксплуатации изделий, имеющих в своем составе БР-содержащие полимерные пленки.
Так, воздействие по отдельности УФ-излучением дозой до 1 Дж/см2 , нагревом до 80°С в течение 30 мин или излучением HeNe-лазера дозой до 100 кДж/см2 практически не влечет необратимых изменений в бактериородопсине. Совместное воздействие нагрева, УФ-излучения и лазерного излучения ведет к усилению разрушающего эффекта при любой комбинации перечисленных факторов.
Если предположить, что снижение чувствительности БР-содержащих пленок вдвое является предельно допустимым, то, возвращаясь к вопросу устойчивости исследуемых пленок к дополнительному воздействию излучения HeNe-лазера в процессе эксплуатации БР-содержащих пленок, отметим следующее. Эксперименты, проведенные по исследованию влияния совместно действующих факторов излучения лазера и термического воздействия показали, что уменьшение плотности мощности излучения в 10 раз (от 500 до 50 мВт/см2) при одной и той же дозе облучения снижает разрушающий эффект от воздействия лазерного излучения вдвое. Поскольку средняя плотность мощности излучения HeNe-лазера, воздействующего на БР-содержащие пленки в процессе функционирования, составляет приблизительно 25 мВт/см2 (это примерно в 20 раз меньше плотности мощности излучения, использованной в эксперименте), ожидаем, что допустимая доза воздействия в процессе эксплуатации может быть значительно больше значения 370 кДж/см2, полученного в эксперименте. Кроме того, замечено, что "отдых" БР при нормальной температуре приводит к заметному восстановлению его первоначальных свойств по пропусканию и чувствительности.
Все это дает основание считать, что в предполагаемых условиях реальное время функционирования БР-содержащих пленок составит не менее 10000 ч.
Напомним, что для возбуждения БР мы использовали HeNe-лазер с длиной волны излучения 632,8 нм, позволивший обеспечить необходимый для эксперимента уровень плотности мощности излучения. Отметим, что сечение взаимодействия БР570 для этой длины волны составляет всего лишь 0,44×102 нм2, в то время как для 530 нм – 1,9×10-2 нм2, а для 570 нм – 2,32×10-2 нм2. Следует ожидать, что исследованные нами эффекты, связанные с воздействием излучения (и, в частности, чувствительность БР), будут более выражены для излучения на тех длинах волн, которым соответствуют большие значения сечения взаимодействия фотонов с молекулами БР.
Список литературы
1. Галушкин А.И. О современных направлениях развития нейрокомпьютеров // Информационные технологии. 1997. № 5. С. 3-5.
2. Datamation. 1996. Vol. 42. № 14. P. 68-73.
3. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: теория и практика. М.: Мир. 1992. 240 с.
4. Бубенников А.Н., Бубенииков А.А. Технологические проблемы создания субмикронных нейрочипов и нейросистем на пласти- нах // Информационные технологии. 1997. № 5. С. 21-28.
5. Евтихиев Н.Н., Оныкий Б.Н., Перепелица В.В., Щербаков И.Б. Гибридные оптоэлектронные нейрокомпьютеры // Нейрокомпьютер. № 3, 4.
6. Лучинин В.В. Проблемы интеграции микро- и биотехноло- гии // Петербургский журнал электроники. 1991. № 1.
7. Пригожий И. От существующего к возникновению. М.: Наука, 1985.
8. Рамбиди Н.Г. Биомолекулярные нейрокомпьютеры // Нейрокомпьютер.
1998. №1,2.
9. Ramhidi N.G., Maximychev A.V. Towards a biоmolecular computer. Information processing capabilities of biоmolecular nonlinear dynamic media // Dio Systems. 1997. V. 41. P. 195-211.
10. Всеволодов Н.Н. Биопигменты-фоторегистраторы. Фотоматериал
на бактериородопсине. М.: Наука. 1988. 222с.
11. Dab I laronian
and Aaron Lewis. Elements of a unique bacteriorhodopsin neural network architecture.
Applied optics. Vol. 30. № 5. P. 597-608.
12. IEEE Control
Systems. 1996. Vol. 16. № 1. P. 6-12.
13. Алексеев А.С., Валянскин СИ., Савранский В.В. Нелинейно-оптические свойства Ленгмюра-Блоджет-монослоев бактериородопсина // Тр. ИОФАН. 1992.
Т. 38. С. 133-150.
14. Dieter Oesterhelt, Christoph Brauchle and Norbert Hampp. Bacteriorhodopsin: a biological material for information processing // Quarterly Reviews of Biophysics 24, 4 (1991). P. 425-478.
15. Основы технологии светочувствительных фотоматериалов / Под ред. В. И. Шеберстова. М.: Химия. 1977. 504 с.