光致变色菌紫质薄膜的动态光学响应特性
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并 根 据 计 算 结 果 分 析 了 ｂ 膜 在 运 动 探 测 应 用 中 Ｒ 的特点 ．
的 吸收 光 谱发 生 了明 显 的变 化 ， 明 ｂ 具有 光 说 Ｒ
致 变 色 特 性 ．由 于 ｂ 在 光 转 换 量 子 效 率 ， 间 Ｒ 空
１ 理 论模 型 与 数值 算 法
．
分辨率 ， 复使用 次数等 指标 上 ， 其它光致 变 色 重 与 材料相 比具 有 综合优 点。因此 作 为一种 理想 的生 ，
对 于 ｂ 在 光 子器 件 中的应 用 ， 别 是 在 动 态 响 Ｒ 特
应 过 程 中 的 应 用 显 然 存 在 不 足 ．本 文 通 过 将 ｂ Ｒ 光 循 环 简 化 为 一 个 二 能 级 模 型 ， ｂ 膜 的 动 态 对 Ｒ
光 吸收 特性进 行 了详 细 的理 论 分析 和数 值 计 算 ，
物 光 敏 材 料 ，Ｒ 在 光 子 学 领 域 具 有 潜 在 的应 用 前 ｂ 景 ．德 国 的 Ｈａ ｐ研 究 小 组 将 ｂ 膜 用 于 可 擦 ｍｐ Ｒ 写 全 息 记 录 介 质 与 传 统 的 全 息 干 版 相 比 ， 有 ， 具
ｂ 光 循 环 是 一 个 复 杂 的光 化 学 反 应 过 程 ， Ｒ 但 从 光 物 理 的 角 度 来 看 ， 可 以 简 化 为 一 个 简 单 的 它 二 能 级 系 统 ． 态 Ｂ 的 吸 收 峰 值 为 ５ Ｏｍ ， 光 基 ７ｈ 吸 后经过 大 约 ５＃ ０ ｓ弛 豫 到 Ｍ 态 ． 态 是 寿 命 最 长 Ｍ 的 中 间 态 ， 常 寿 命 为 ｍｓ量 级 ， 过 对 ｂ 修 饰 通 通 Ｒ
・
国 家 自然科 学基 空 （ 准号 ：０ ０ ０ ９ 和 中 国科 学 院 院 长 基仝 （ 准 号 ：０ ０ ０ ９ 资 助 项 目 批 ６ ０ ７０ ） 批 ４０７５）
牧 稿 日期 ： ０ １０ — ８ ２ ０ － ６ １
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１期
郏 嫒 等 ．光 致 变 色苗 紫质 薄膜 的动 态 光 学 响应 特 性
实时 、 分 辨 率等 显 著 优 点 ．美 国 的 Ｂｒ ｅ研 究 高 ｉ ｇ
小 组 将 ｂ 用 于 三 维 光 存 储 介 质 利 用 其 独 特 的 Ｒ ， 序 列双 光子变 色效应 ， 以实现长 寿命立体存储 ． 可 近 年 来 利 用 基 因 工 程 和 生 化 手 段 可 以对 ｂ 的 光 Ｒ 学 性 质 进 行 改 进 和 优 化 以 克 服 它 的 一 些 缺 陷 ， （ Ｍ 态 寿命短 ）使 得它 在光信 息处 理 和光存储 如 ， 方 面 的 应 用 越 来 越 多 ．目前 大 多 数 的 研 究 主 要 在 实 验 方 面 ．理 论 方 面 ， ｂ 膜 的 静 态 光 吸 收 特 对 Ｒ
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第 ３ １卷 第 １期
２０ ０ ２年 １月
止 ａ 乍 职
ＡＣＴＡ ＰＨ０ＴｏＮＩ ＣＡ ＮＩ ＳＩ ＣＡ
Ｖｏ ． １ Ｎｏ １ １３ ．
光 致变 色 菌 紫质 薄膜 的动态 光 学 响应 特性 ‘
郑 媛 姚 保 利 王 英 利 雷 铭
质， 由于在 结构 上 与视 网膜上 的视 色 素一视 紫 红 质 （ｈ ｄ ｐ ｉ ） ｒ ｏ ｏ ｓ 相似而得 名 ． Ｒ 在可 见光激 发 下 ， ｎ ｂ
发 生 从 基 态 Ｂ 激 发 至 中 间 态 Ｊ 再 经 热 弛 豫 到 达 ， 中 间 态 Ｋ， Ｍ ， ， ， 后 返 回基 态 的 一 个 光 循 Ｌ， Ｎ Ｏ 最 环 过 程 ．在 这 个 过 程 中 ｂ 完 成 其 基 本 的 生 物 功 Ｒ 能 光 驱 动 质 子 泵 ｂ 光 循 环 过 程 中 ， 中 间 态 ．Ｒ 各
或改性 可使其 寿命延 长至 数 分钟 ． 态 也是 吸收 Ｍ 峰值位 移 最大 的 中问态 （ 收 峰值 为 ４ ２ ｍ） 除 吸 １ｎ ，
了 经 热 弛 豫 返 回 ｂ 基 态 外 ， 态 】 紫 光 后 可 Ｒ Ｍ 吸收 直接返 回基 态 ． 样 就可 以将 ｂ 光 钳环 过 程 近 这 Ｒ 似 为 只 包 含 两 个 主 要 状 态 （ 态 和 Ｍ 态 ） 二 能 Ｂ 的 级 光 致 变 色 系统 ， 图 １所 示 ， 验 证 明 这 种 简 化 如 实 模 型 可 以解 释 ｂ 的 大 部 分 光 学 性 质 Ｒ ． 当 处 于 Ｂ态 和 Ｍ 态 吸 收 谱 带 内 的 任 一 波 长
过 光 的响应 越 快 ， 射 光透 过 率饱 和值 越 大 ．在 双 光束 的作 用 下， 以 用 ５ ０ ｍ 的 黄光 调 制 入 可 ７ｎ
４２ｍ 紫光 的透射 光 强 ， １ｒ ｉ 实现 以光控 光操 作 ．根据 计算 结果 分析 了 ｂ 膜 在运 动撂测应 用 中的 Ｒ
特点 ．
关ｔ词 茵紫质 ； 光致 变色； 态光 学响应 ； 动撂测 动 运
（ 国科 学 院 西 安 光学 精 密机 械研 究 所 瞬 态 光 学 技 术 国 家 重点 实验 室 ， 中 西安 ７ ０６ ） １ ０８
摘
要 用＝能级 光 致 变色模型 ， 论分 析 了茵 紫质 薄膜在 ５ ０ｍ 单光束 和 ５０ｍ 与 ４２ｍ 理 ７ｒ ｉ ７ｒ 动态光 学响应特 性 ． 算表 明， 态寿命 越 长 ， 射 光 强越 大 ， 透 计 Ｍ 入 则
０ 引 言
菌 紫 质 （ ａ ｔｒ ｒ ｏ ｏ ｓ ｂ ） 嗜 盐 菌 紫 ｂ ｃｅｉ ｈ ｄ ｐ ｉ Ｒ 是 ｏ ｎ， 膜 中 发 现 的 一 种 具 有 光 致 变 色 效 应 的 光 敏 蛋 白 性 ， 饱 和 吸 收 特 性 双 光 束 互 补 抑 制 特 性 的研 如 ， 究 比较多 ， 对其 动态光 吸 收特性 的研究 很少 ， 而 这
的 吸收 光 谱发 生 了明 显 的变 化 ， 明 ｂ 具有 光 说 Ｒ
致 变 色 特 性 ．由 于 ｂ 在 光 转 换 量 子 效 率 ， 间 Ｒ 空
１ 理 论模 型 与 数值 算 法
．
分辨率 ， 复使用 次数等 指标 上 ， 其它光致 变 色 重 与 材料相 比具 有 综合优 点。因此 作 为一种 理想 的生 ，
对 于 ｂ 在 光 子器 件 中的应 用 ， 别 是 在 动 态 响 Ｒ 特
应 过 程 中 的 应 用 显 然 存 在 不 足 ．本 文 通 过 将 ｂ Ｒ 光 循 环 简 化 为 一 个 二 能 级 模 型 ， ｂ 膜 的 动 态 对 Ｒ
光 吸收 特性进 行 了详 细 的理 论 分析 和数 值 计 算 ，
物 光 敏 材 料 ，Ｒ 在 光 子 学 领 域 具 有 潜 在 的应 用 前 ｂ 景 ．德 国 的 Ｈａ ｐ研 究 小 组 将 ｂ 膜 用 于 可 擦 ｍｐ Ｒ 写 全 息 记 录 介 质 与 传 统 的 全 息 干 版 相 比 ， 有 ， 具
ｂ 光 循 环 是 一 个 复 杂 的光 化 学 反 应 过 程 ， Ｒ 但 从 光 物 理 的 角 度 来 看 ， 可 以 简 化 为 一 个 简 单 的 它 二 能 级 系 统 ． 态 Ｂ 的 吸 收 峰 值 为 ５ Ｏｍ ， 光 基 ７ｈ 吸 后经过 大 约 ５＃ ０ ｓ弛 豫 到 Ｍ 态 ． 态 是 寿 命 最 长 Ｍ 的 中 间 态 ， 常 寿 命 为 ｍｓ量 级 ， 过 对 ｂ 修 饰 通 通 Ｒ
・
国 家 自然科 学基 空 （ 准号 ：０ ０ ０ ９ 和 中 国科 学 院 院 长 基仝 （ 准 号 ：０ ０ ０ ９ 资 助 项 目 批 ６ ０ ７０ ） 批 ４０７５）
牧 稿 日期 ： ０ １０ — ８ ２ ０ － ６ １
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１期
郏 嫒 等 ．光 致 变 色苗 紫质 薄膜 的动 态 光 学 响应 特 性
实时 、 分 辨 率等 显 著 优 点 ．美 国 的 Ｂｒ ｅ研 究 高 ｉ ｇ
小 组 将 ｂ 用 于 三 维 光 存 储 介 质 利 用 其 独 特 的 Ｒ ， 序 列双 光子变 色效应 ， 以实现长 寿命立体存储 ． 可 近 年 来 利 用 基 因 工 程 和 生 化 手 段 可 以对 ｂ 的 光 Ｒ 学 性 质 进 行 改 进 和 优 化 以 克 服 它 的 一 些 缺 陷 ， （ Ｍ 态 寿命短 ）使 得它 在光信 息处 理 和光存储 如 ， 方 面 的 应 用 越 来 越 多 ．目前 大 多 数 的 研 究 主 要 在 实 验 方 面 ．理 论 方 面 ， ｂ 膜 的 静 态 光 吸 收 特 对 Ｒ
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第 ３ １卷 第 １期
２０ ０ ２年 １月
止 ａ 乍 职
ＡＣＴＡ ＰＨ０ＴｏＮＩ ＣＡ ＮＩ ＳＩ ＣＡ
Ｖｏ ． １ Ｎｏ １ １３ ．
光 致变 色 菌 紫质 薄膜 的动态 光 学 响应 特性 ‘
郑 媛 姚 保 利 王 英 利 雷 铭
质， 由于在 结构 上 与视 网膜上 的视 色 素一视 紫 红 质 （ｈ ｄ ｐ ｉ ） ｒ ｏ ｏ ｓ 相似而得 名 ． Ｒ 在可 见光激 发 下 ， ｎ ｂ
发 生 从 基 态 Ｂ 激 发 至 中 间 态 Ｊ 再 经 热 弛 豫 到 达 ， 中 间 态 Ｋ， Ｍ ， ， ， 后 返 回基 态 的 一 个 光 循 Ｌ， Ｎ Ｏ 最 环 过 程 ．在 这 个 过 程 中 ｂ 完 成 其 基 本 的 生 物 功 Ｒ 能 光 驱 动 质 子 泵 ｂ 光 循 环 过 程 中 ， 中 间 态 ．Ｒ 各
或改性 可使其 寿命延 长至 数 分钟 ． 态 也是 吸收 Ｍ 峰值位 移 最大 的 中问态 （ 收 峰值 为 ４ ２ ｍ） 除 吸 １ｎ ，
了 经 热 弛 豫 返 回 ｂ 基 态 外 ， 态 】 紫 光 后 可 Ｒ Ｍ 吸收 直接返 回基 态 ． 样 就可 以将 ｂ 光 钳环 过 程 近 这 Ｒ 似 为 只 包 含 两 个 主 要 状 态 （ 态 和 Ｍ 态 ） 二 能 Ｂ 的 级 光 致 变 色 系统 ， 图 １所 示 ， 验 证 明 这 种 简 化 如 实 模 型 可 以解 释 ｂ 的 大 部 分 光 学 性 质 Ｒ ． 当 处 于 Ｂ态 和 Ｍ 态 吸 收 谱 带 内 的 任 一 波 长
过 光 的响应 越 快 ， 射 光透 过 率饱 和值 越 大 ．在 双 光束 的作 用 下， 以 用 ５ ０ ｍ 的 黄光 调 制 入 可 ７ｎ
４２ｍ 紫光 的透射 光 强 ， １ｒ ｉ 实现 以光控 光操 作 ．根据 计算 结果 分析 了 ｂ 膜 在运 动撂测应 用 中的 Ｒ
特点 ．
关ｔ词 茵紫质 ； 光致 变色； 态光 学响应 ； 动撂测 动 运
（ 国科 学 院 西 安 光学 精 密机 械研 究 所 瞬 态 光 学 技 术 国 家 重点 实验 室 ， 中 西安 ７ ０６ ） １ ０８
摘
要 用＝能级 光 致 变色模型 ， 论分 析 了茵 紫质 薄膜在 ５ ０ｍ 单光束 和 ５０ｍ 与 ４２ｍ 理 ７ｒ ｉ ７ｒ 动态光 学响应特 性 ． 算表 明， 态寿命 越 长 ， 射 光 强越 大 ， 透 计 Ｍ 入 则
０ 引 言
菌 紫 质 （ ａ ｔｒ ｒ ｏ ｏ ｓ ｂ ） 嗜 盐 菌 紫 ｂ ｃｅｉ ｈ ｄ ｐ ｉ Ｒ 是 ｏ ｎ， 膜 中 发 现 的 一 种 具 有 光 致 变 色 效 应 的 光 敏 蛋 白 性 ， 饱 和 吸 收 特 性 双 光 束 互 补 抑 制 特 性 的研 如 ， 究 比较多 ， 对其 动态光 吸 收特性 的研究 很少 ， 而 这