СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФОТОХРОМНЫХ СТРУКТУР Российский патент 2004 года по МПК C25D13/08 

Изобретение относится к технологии изготовления фотохромных структур, являющихся элементной базой в устройствах оптической обработки информации. Фотохромные структуры разрабатывались нами для устройства оптической нейронной сети, защищенного патентом РФ [1].

Для разработки элементной базы устройств оптической нейронной сети одним из перспективных материалов, благодаря своим уникальным фотохромным свойствам, является бактериородопсин (БР) - светочувствительный белок галобактерий Halobacterium salinarium [2]. Установлено, что фотохромные свойства бактериородопсина наиболее полно проявляются в ориентированных структурах, в которых молекулы белка выстроены в одном направлении.

Известен способ получения ориентированных пленок бактериородопсина из суспензии белка методом Ленгмюра - Блоджетт [3], заключающийся в том, что на границе раздела двух фаз (например, вода - гексан) образуется мономолекулярный слой бактериородопсина, который переносят на подложку. Способ позволяет получать высоко ориентированные пленки бактериородопсина с толщиной несколько молекулярных слоев. Недостатком способа является слишком малая оптическая плотность образцов, которые практически невозможно использовать как фотохромные пленки. Существует модификация метода Ленгмюра - Блоджетт, позволяющая получать несколько сотен молекулярных слоев, однако в ходе процесса происходит разориентация молекул бактериородопсина друг относительно друга.

Известно решение проблемы получения ориентированных пленок бактериородопсина способом электрофоретического осаждения [4] из суспензии бактериородопсина с использованием сшивающих агентов (глутаральдегид, карбодиимины или диамины), которые образуют ковалентные связи между соседними молекулами белка (фиг.1, где 1 - подложка; 2 - слой бактериородопсина; 4 - ковалентные связи между молекулами белка). Процесс “сшивки” идет при действии ориентирующего электрического поля, т.е. удается избежать разориентации молекул БР. Однако введение химического реагента - “сшивателя” ведет к уменьшению внутренней подвижности молекул бактериородопсина (как следствие их взаимного ковалентного связывания) и неизбежно приводит к снижению его фотохромной чувствительности.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ получения фоточувствительных элементов [5]. Способ осуществляется в два основных этапа, разделенных во времени и пространстве. Первый этап - электрофоретическое осаждение ориентированной пленки бактериородопсина из суспензии бактериородопсина, второй этап - нанесение защитного покрытия из поливинилового спирта (ПВС) на поверхность пленки БР. Функции защитного покрытия заключаются в придании ориентированной пленки БР устойчивости к действию химических реагентов и физическому воздействию.

Недостатком данного способа является то, что защитную полимерную пленку на поверхности БР наносят после окончания действия ориентирующего электрического поля - после извлечения подложки с пленкой БР из исходной суспензии. При этом невозможно избежать разориентации молекул бактериородопсина (фиг.2, где 1 - подложка; 2 - слой бактериородопсина; 3 - защитный полимерный слой), что нарушает упорядоченность полученной в ходе процесса электрофоретического осаждения структуры и приводит к уменьшению значения фотохромной чувствительности. Недостатком способа также является применение поливинилового спирта, который из-за растворимости в воде сильно ограничивает технологические возможности дальнейшего использования получаемых фоточувствительных элементов.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение чувствительности фотохромных структур на основе фотохромного белка - бактериородопсина.

Решение поставленной задачи достигается тем, что при электрофоретическом осаждении фотохромных структур из суспензии бактериородопсина в исходную суспензию вводят раствор мономера и, после того, как сформировалась требуемая толщина слоя бактериородопсина, электрополимеризуют его (мономер) на поверхности слоя БР. Раствор мономера можно вводить в суспензию в любой момент времени до начала проведения электрополимеризации. По существу, данный способ позволяет получить фотохромные структуры в едином технологическом цикле, что позволяет исключить возможную потерю ориентации молекул бактериородопсина (фиг.3, где 1 - подложка; 2 - слой бактериородопсина; 3 - защитный полимерный слой) и, тем самым, сохранить высокую фотохромную чувствительность структур. При этом полимер не ограничивает внутренней подвижности молекул бактериородопсина и, следовательно, не ухудшает его фотохромных свойств. Использование веществ (мономеров), которые при полимеризации дают электропроводящие полимеры (например, такими веществами являются анилин, тиофен, пиррол и их производные), открывает широкие перспективы в применении полученных структур не только как фотохромных, но электрохромных и электрофотохромных.

Таким образом, совокупность признаков предлагаемого способа получения фотохромных структур позволяет увеличить их фотохромную чувствительность.

Предлагаемый способ получения фотохромных структур осуществляется следующим образом. Использовалась типовая электрохимическая ячейка, схема которой приведена на фиг.4, где 5 - водная суспензия бактериородопсина, 6 - вода, 9 - анод, 8 - катод, 7 - катионообменная мембрана, 10 - источник постоянного напряжения. Катодное и анодное пространства в ней разделены катионообменной мембраной. В качестве электродов применялись: анод (+) - оптически прозрачный электрод (стеклянная подложка с нанесенным на нее слоем оксида олова, легированного оксидом индия (ITO) – SnO₂(In₂О₃)); катод (-) - платиновая или никелевая пластина. Расстояние между электродами могло изменяться в пределах 0,5-5 см.

Использовалась водная суспензия бактериородопсина штамма ЕТ1001, полученная по стандартной методике [6]. Перед электрофоретическим осаждением бактериородопсина суспензию обрабатывали последовательно ультразвуковым воздействием (УЗ) и центрифугированием (ЦФ) для удаления избыточного количества липидной фазы и денатурированного белка. В качестве мономера использовали анилин, при полимеризации дающий электропроводящий полимер - полианилин.

Выбор параметров режима электрофоретического осаждения определялся параметрами электролиза воды. Время проведения электрофоретического осаждения рассчитывалось исходя из заданной толщины получаемой пленки бактериородопсина. Практически используемые толщины в устройствах оптической обработки информации лежат в пределах 10-20 мкм.

Пример

В прошедшую обработку (УЗ и ЦФ) суспензию бактериородопсина с концентрацией 5 мг/мл объемом 10 мл добавили 1 мл водного раствора анилина (марка “чда”) концентрации 5-10 вес.% В полученную смесь добавили фосфатный буфер для поддержания значения рН в районе 7, тщательно перемешали, добиваясь гомогенного распределения компонентов в смеси.

Для нанесения пленки бактериородопсина способом электрофоретического осаждения водную суспензию бактериородопсина поместили в анодную область электролитической ячейки, в катодную область - дистиллированную воду. На электроды подавалось напряжение 0,5 В при силе тока 10 мкА в течение 2-х часов. При этом происходило электрофоретическое осаждение бактериородопсина на аноде и толщина полученной фотохромной пленки составила 13,6 мкм. После этого на электроды подавалось напряжение 5 В и силе тока 1 мА течение 5 минут для электрополимеризации мономера (анилина) на поверхности пленки бактериородопсина. После проведенных операций отключили источник питания, полученную фотохромную структуру извлекли из суспензии и высушили.

Измерение фотохромной чувствительности полученных структур проводилось на специализированном стенде по методике, описанной в работе [7], сущность которой заключается в измерении фотоиндуцированного изменения оптической плотности фотохромной пленки на определенной длине волны. Критерием фотохромной чувствительности являлась процентная доля молекул БР (параметр k), принимавших участие в фотохимическом цикле при неизменных условиях внешнего воздействия.

Полученные значения параметра k составляли 50-70% против 20-40% в образцах, полученных любым иным методом. Таким образом, предложенное решение позволяет значительно повысить чувствительность фотохромных структур. За несколько месяцев хранения при комнатной температуре образцов, полученных по заявляемому способу, изменение (уменьшение) значения процентной доли молекул бактериородопсина не превысило нескольких единиц.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Патент РФ №2165644, 04.07.2000. Устройство оптической нейронной сети.

2. Chemical Review. 2000, v.100, p.1755.

3. Methods in Enzymology. 1982, v.88, p.45.

4. Патент США №5252719, класс 530-409, 12.10.1993. Process for preparing protein-oriented membrane.

5. Патент Японии №63-241432, класс G01J 1/02, 6.10.1988. Photosensitive element. - прототип.

6. Methods Enzymology. 1974, v.31, p.667.

7. Материалы 6-ой Международной конференции “Молекулярная биология, химия и физика неравновесных систем”. Иваново-Плес, 2002 г., с.208.

Изобретение относится к технологии изготовления фотохромных структур, являющихся элементной базой в устройствах оптической обработки информации. Способ включает электрофоретическое осаждение из суспензии бактериородопсина, при этом перед осаждением в суспензию вводят раствор мономера, осаждают слой бактериородопсина требуемой толщины и на его поверхности электрополимеризуют мономер. Технический результат - повышение чувствительности фотохромной структуры на основе фотохромного белка - бактериородопсина. 4 ил.

Способ получения фотохромных структур, включающий электрофоретическое осаждение из суспензии бактериородопсина, отличающийся тем, что перед осаждением в суспензию бактериородопсина вводят раствор мономера, осаждают слой бактериородопсина требуемой толщины и на его поверхности электрополимеризуют мономер.