НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

ДК 771.5:778.38

СТЕПАНЧИКОВ ДМИТРО АБРАМОВИЧ

Поляризаційні властивості фототрансформацій бактеріородопсину для
нелінійної просторової модуляції світла

01.04.05 – оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ-2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики Національної академії наук України

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук

Корчемська Олена Яківна,

Інститут фізики НАН України,

старший науковий співробітник

відділу оптичної квантової електроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

Рєзніков Юрій Олександрович,

Інститут фізики НАН України,

завідувач відділу фізики кристалів

доктор фізико-математичних наук, професор,

Полянський Петро В’ячеславович,

Чернівецький національний університет

імені Ю. Федьковича,

професор кафедри кореляційної оптики

Провідна організація: Київський Національний університет

імені Тараса Шевченка,

фізичний факультет, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 24 листопада 2005 року о 14 год. 30 хв. на
засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.159.01 при Інституті фізики
НАН України за адресою: проспект Науки 46, МСП, м.Киів-28, 03680.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту фізики
НАН України за адресою: проспект Науки 46, МСП, м.Киів-28, 03680.

Автореферат розісланий 21 жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради
Чумак О.О. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В усьому світі сьогодні викликає значний інтерес
використання функціональних властивостей біологічних молекул для
різноманітних технічних застосувань. Біологічний фоторецептор
бактеріородопсин (БР), який міститься в пурпурних мембранах
екстремальних галофільних мікроорганізмів Halobacterium salinarium,
завдяки ряду унікальних властивостей займає перше місце серед оптичних
застосувань середовищ біологічного походження. Білок БР структурно
подібний до людського зорового пігменту родопсину. Світло видимого
діапазону викликає цикл оборотних фототрансформацій молекул БР
(початкова форма фотоциклу bR570 має максимум поглинання на 570 нм, а
найбільш довгоживучий інтермедіат фотоциклу М412 – на 412 нм). Пурпурні
мембрани з БР, видалені з бактерій, зберігають свої властивості.
Молекули БР у пурпурних мембранах утворюють двовимірну кристалічну
решітку, що сприяє високій стабільності БР стосовно теплового та
хімічного впливів. Полімерні плівки з фрагментами пурпурних мембран із
БР дозволяють реєструвати оптичну інформацію в реальному часі з
роздільною здатністю 5000 ліній/мм та світлочутливістю на рівні
декількох мВт/см2. При цьому понад мільйон циклів запису/стирання
інформації може бути здійснено без руйнування на полімерних плівках із
БР.

Серед запропонованих різноманітних методик обробки зображень можна
виділити окрему перспективну групу, яка базується на ефекті
фотоіндукованої анізотропії в плівках із БР. Установлено, що під дією
світла в ізотропних плівках із БР індукується дихроїзм та подвійне
променезаломлення, достатні за величиною для практичного застосування
[1]. Це дозволяє використовувати плівки з БР для поляризаційного
голографічного запису [2].

Усі інтермедіати фотоциклу БР фотоактивні [3]. На сьогодні достатньо
вивченими є лише поляризаційні властивості фототрансформації із вихідної
форми bR570 у найбільш довгоживучий інтермедіат М412. При цьому
практично поза увагою залишилося використання поляризаційних
властивостей зворотної фототрансформації з інтермедіата М412 у
форму bR570, що дало б можливість завдяки великому спектральному зсуву
між смугами поглинання цих інтермедіатів здійснювати оптичну обробку
інформації одночасно на двох довжинах хвиль. Також дуже важливим з точки
зору як практичного застосування, так і вивчення процесів у ретинальних
протеїнах є дослідження поляризаційних властивостей процесу
світлоадаптації пурпурних мембран із БР.

Кристалічна структура пурпурної мембрани дозволяє з метою оптимізації
оптичних властивостей модифікувати БР-плівки без зменшення циклічності і
світлочутливості шляхом модифікації білка (БР-мутанти) [4], введенням
хімічних домішок у полімерну матрицю [5] та заміною хромофора ретиналя в
природному БР іншими штучно синтезованими хромофорами [6]. Такі
модифікації розроблялися для збільшення часу життя інтермедіата М412,
але досі було невідомо, як вони впливають на фотоанізотропні властивості
середовища.

Завдяки низький інтенсивності насичення фотоанізотропії характеристики
БР-плівок можуть змінюватися навіть під дією випромінювання дешевих
малопотужних неперервних лазерів. У статті [2] було продемонстровано
можливість керування інтенсивністю і поляризацією дифрагованого пучка за
допомогою зміни інтенсивності пучків, що записують голографічну решітку
в плівках із БР. Нами було розглянуто можливість впливу на
співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей і
поляризаційної решітки зміни поляризації зовнішнього некогерентного
підсвічування; мультиплексний одночасний запис у плівці з БР двох
решіток інтенсивностей при ортогональній поляризації пучків, що
записують різні решітки; селективне блокування певних частин зображення
у реальному часі тільки за допомогою варіювання інтенсивності
малопотужного збуджуючого випромінювання; логічні операції над
зображеннями.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна
робота виконувалася в рамках наукових тем: у 1998-2000 рр. «Нелінійна
лазерна динаміка оптичних вихорів, фоторефрактивних взаємодій та
біосистем» № держреєстрації 01198U002138 (1.4.1. В/40); у 2001 –
2003 рр. «Фізична оптика когерентних

світлових полів, утворених за допомогою багатохвильових взаємодій в
нелінійних середовищах та біооб’єктах», № держреєстрації 0101U000352.

Метою роботи було вивчення поляризаційних властивостей фототрансформацій
природного БР, а також хімічно і генетично модифікованого БР в аспекті
їх подальшого можливого використання для нелінійної просторової
модуляції світла. Для досягнення цієї мети розв’язувались такі задачі:

– вивчити поляризаційні властивості зворотної фототрансформації
М412?bR570 та процесу світлоадаптації БР;

– дослідити можливості впливу на характеристики фотоіндукованої
анізотропії модифікацій білка та полімерної матриці в плівках із БР;

– теоретично і експериментально розглянути запис динамічних
поляризаційних решіток при довільному співвідношенні інтенсивностей
записуючих пучків та наявності зовнішнього некогерентного підсвічування,
проаналізувати мультиплексний запис двох решіток у плівках із БР;

– розробити схеми практичного використання поляризаційних властивостей
фототрансформацій БР для оптичної обробки зображень.

Об’єктом дослідження виступали полімерні плівки з БР, генетичними
мутантами D96N і D96E БР, з пігментами 4-keto БР і 4-keto-D96N БР, в
яких природній хромофор ретиналь замінений штучно синтезованим
хромофором 4-keto ретиналь, полімерні плівки з БР, що вміщують хімічні
домішки в полімерній матриці.

Предметом дослідження були поляризаційні властивості фототрансформацій у
природному, а також хімічно і генетично модифікованому пігменті БР.

Методами дослідження були методи еліпсометрії при вивченні
закономірностей фотоіндукованої анізотропії та голографічні методики при
дослідженні характеристик голографічного запису в плівках із БР.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній уперше:

досліджені характеристики анізотропії, що індукується в плівках із БР
при одночасній дії двох збуджуючих променів різної поляризації, які
попадають в смуги поглинання вихідної форми bR570 і найбільш
довогоживучого короткохвильового інтермедіату фотоциклу M412 відповідно;

проведені дослідження фотоіндукованої анізотропії в полімерних плівках з
генетичними мутантами D96N і D96E БР, з пігментами 4-keto БР і
4-keto-D96N БР, що вміщують штучно синтезований хромофор 4-keto
ретиналь, та з хімічними домішками в полімерній матриці. З’ясовано
механізм впливу хімічних домішок на значне підвищення фотоанізотропного
відгуку;

виявлено фотоанізотропні властивості темноадаптованої форми БР;

проведено розрахунок поляризаційного голографічного запису в ізотропному
середовищі з анізотропно насичувальною нелінійністю при довільному
співвідношенні інтенсивностей хвиль, що записують голографічну решітку,
та наявності некогерентного зовнішнього підсвічування;

теоретично і експериментально (у полімерних плівках із БР) показано, що
механізм оборотної анізотропної фотоселекції дає змогу змінювати
співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей і
поляризаційної решітки: а) шляхом зміни співвідношення між
інтенсивностями записуючих пучків при їх сталій сумарній інтенсивності;
б) за допомогою зміни поляризації зовнішнього некогерентного
підсвічування;

показано, що при дифракції на решітці інтенсивностей в області насичення
механізм оборотної анізотропної фотоселекції дозволяє збільшити
інтенсивність дифрагованого пучка при зчитуванні пучком з поляризацією
ортогональною до поляризації записуючих пучків у порівнянні з випадком,
коли поляризація зчитування співпадає з поляризацією записуючих пучків;

виходячи з аналізу моделі оборотної анізотропної фотоселекції молекул БР
в полімерних плівках, здійснено одночасний запис двох решіток
інтенсивностей, що перекриваються у просторі, з ортогональними
поляризаціями пар записуючих пучків.

Практична цінність роботи:

1. На основі проведених досліджень показано, що внесення пластичних
домішок у полімерну матрицю призводить до чотирикратного збільшення
фотоанізотропного відгуку та зменшення на два порядки інтенсивності
насичення, що є дуже цінним для обробки сигналів і зображень низької
інтенсивності.

2. Показана можливість використання фотоіндукованої анізотропії в
полімерних плівках із БР для перетворення некогерентного оптичного
сигналу в когерентний з одночасною просторовою модуляцією інтенсивності
зображення та виконанням логічних операцій над зображеннями в реальному
масштабі часу.

3. В результаті проведених досліджень показана можливість суто оптичного
керування характеристиками голографічного запису, як змінюючи
співвідношення між інтенсивностями записуючих пучків, так і за допомогою
зовнішнього некогерентного підсвічування. Це може сприяти розв’язанню
цілої низки задач по керуванню слабкими світловими пучками в реальному
масштабі часу.

4. Показано, що для світлоадаптації плівок із БР перед подальшим
використанням у схемах оптичної обробки інформації найбільш ефективним є
використання природного (неполяризованого) або циркулярно поляризованого
світла.

Внесок автора. Автор брав участь у постановці задач, розглянутих у
дисертації, самостійно проводив усі експерименти та отримав усі основні
результати, згадані в дисертаційній роботі [1*-14*]. Разом із
співавторами брав рівноправну участь в інтерпретації експериментально
одержаних результатів [2*, 5*, 9*-14*] та створенні фізичних моделей
явищ, що вивчалися в дисертаційному дослідженні [4*, 6*-8*].

Достовірність результатів визначається використанням надійних сучасних
засобів та методів дослідження, контролем точності вимірювань і
обчислень на комп’ютері, доброю повторюваністю результатів при
багатократних вимірах, проведенням порівняння експерименту з розрахунком
і, навпаки, перевіркою одержаних аналітичних виразів експериментом,
відповідністю експериментальних результатів результатам інших авторів.

Апробація роботи. Матеріали дисертації були представлені на 5-й
Міжнародній конференції з використання лазерів в науках про життя
(Мінськ, Білорусь, 1994), Міжнародній конференції ICONO’95 “Лазерна
хімія, біофізика та біомедицина” (Санкт Петербург, Росія, 1995), 6-й
Міжнародній конференції з використання лазерів в науках про життя (Jena,
Germany 1996), Міжнародній конференції з оптичної голографії та її
використання (Київ, Україна, 1997), III Всеукраїнській конференції
“Фундаментальна і професійна підготовка фахівців з фізики” (Київ, 1998),
семінарі “Нанобіоніка – від молекул до використань” (Marburg, Germany,
2000), 9-й Міжнародній конференції з ретинальних протеїнів (Szeged,
Hungary, 2000), 8-й Міжнародній конференції з фоторефрактивних ефектів,
матеріалів та пристроїв (Delavan, Wisconsin, USA, 2001), XX Міжнародній
конференції з фотохімії (Москва, Росія, 2001), семінарі “Нанобіоніка II
– від молекул до використань” (Marburg, Germany, 2002), Міжнародному
симпозіумі з ретинальних протеїнів: експеримент і теорія (Germany,
2004), а також на семінарах відділу оптичної квантової електроніки
Інституту фізики НАН України та кафедри фізики Житомирського державного
університету ім.І.Франка.

Публікації. З теми дисертаційного дослідження опубліковано 14 статей та
6 тез доповідей.

Об’єм роботи. Дисертація викладена на 154 сторінках, має вступ, 4
розділи, висновки, містить 61 рисунок та 6 таблиць. Бібліографія містить
116 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи,
cформульовано мету роботи, показано наукову новизну одержаних
результатів та їх практичне значення, сформульовано особистий внесок
здобувача, наведені відомості про публікації та апробацію результатів
роботи.

У першому розділі наведені результати дослідження фотоіндукованої
анізотропії в хімічно модифікованих плівках з бактеріородопсином та його
генетичними мутантами.

На початку розділу наведено огляд літератури, що описує
фототрансформації хромофор-білкового комплексу БР. У вихідному стані
молекули БР у формі bR570 характеризуються широкою безструктурною смугою
поглинання з максимумом на довжині хвилі 570 нм. У формі bR570
вміщується all-trans ізомер хромофора ретиналя. Поглинання світла
призводить до оборотних фототрансформацій БР, які супроводжуються
ізомеризацією ретиналя та конформаційними змінами білка опсина. Молекули
переходять у нові спектральні інтермедіати, один з найбільш довгоживучих
M412 з 13-cis ізомером хромофора ретиналя має максимум поглинання на
довжині хвилі 412 нм (час переходу bR570?M412 50 мкс). Час спонтанного
повернення M412?bR570 лежить в межах від ~10 мс у суспензіях до хвилин у
полімерних плівках із БР. Можливе також і світлоіндуковане повернення
M412?bR570 за час 50 мкс [7]. Інтермедіати bR570 і M412 у полімерних
плівках із БР є найбільш заселеними, тому в більшості практичних задач
актуально розглядати властивості фототрансформацій bR570?M412 та
M412?bR570. У полімерних плівках фрагменти пурпурних мембран із БР
жорстко фіксуються в полімерній матриці. Під дією лінійно поляризованого
світла, що попадає виключно в смугу поглинання вихідної форми bR570, у
плівках індукуєтьться дихроїзм та подвійне променезаломлення.
Світлоіндукована анізотропія в даному випадку зумовлена поляризаційними
властивостями прямої фототрансформації bR570?M412, які пов’язуються з
дихроїзмом поглинання хаотично орієнтованих нерухомих молекул БР у формі
bR570.

=500 мВт/см2). Враховуючи те, що в цьому випадку анізотропія зумовлена
поляризаційними властивостями зворотної фототрансформації M412?bR570, ми
дали їй назву анізотропії М-типу. У той же час анізотропію, що
індукується тільки лінійно поляризованим випромінюванням He-Ne лазера і
зумовлена поляризаційними властивостями прямої фототрансформації
bR570?M412, називаємо анізотропією В-типу (рис.1, крива 2).

Нами запропоновано одночасно використовувати поляризаційні властивості
як прямої bR570?M412, так і зворотної M412?bR570 фототрансформацій.
Замість циркулярно поляризованого використовувалось лінійно поляризоване
випромінювання He-Ne лазера, ортогональне до поляризації He-Cd лазера.
Цей тип анізотропії ми назвали анізотропією В-M-типу (рис.1, крива 3).
Максимальний фотоанізотропний відгук при змішаному В-М-типі анізотропії
приблизно в два рази більший, ніж при В-типі, і в три рази, ніж при
М-типі анізотропії.

Одержані результати пояснені в рамках моделі оборотної анізотропної
фотоселекції молекул БР. Під дією

випромінювання He-Ne лазера, що

описується балансним рівнянням:

(1)

.

=0.11?0.01. Результат розрахунку підтверджує експериментальні
співвідношення між максимальним фотоанізотропним відгуком при М-, B- та
В-М-типі анізотропії.

З метою пошуку шляхів оптимізації анізотропних властивостей плівок була
досліджена фотоіндукована анізотропія В-типу, М-типу та В-М-типу в
плівках із генетичними мутантами D96N і D96E БР у желатиновій матриці.
Також були досліджені хімічно модифіковані плівки з WT, D96N і D96E БР,
що містили домішки (N,N,N’,N’-тетраметилетилендіамід та
1,2-діамінопропан (або триетаноламін)), розроблені з метою збільшення
часу життя інтермедіата M412.

Одержані результати показують, що хімічні домішки збільшують
фотоанізотропний відгук приблизно в 4 рази для В-типу та в 6 разів для
М-типу і B-M-типу анізотропії, в той час як генетичні мутації – тільки в
1.5 рази для цих типів анізотропії. Показано, що підвищення
фотоанізотропного відгуку як під впливом хімічної, так і генетичної
модифікації БР-плівок зумовлено збільшенням кількості молекул БР, що
беруть участь в основному фотоциклі.

Також було досліджено фотоіндуковану анізотропію в плівках із
реконструйованими протеїнами 4-keto і 4-keto-D96N БР, в яких хромофор
ретиналь замінюється штучно синтезованим аналогом 4-keto. Враховуючи те,
що максимум поглинання вихідної форми цих протеїнів знаходиться на
довжині хвилі 510 нм, а на 633 нм поглинання практично відсутнє,
збудження і тестування здійснювалося лазером на парах міді (?=510 нм).

Таблиця 1

Молекулярний дихроїзм.

Інтермедіат Тип БР-плівки Довжина хвилі (нм) Молекулярний дихроїзм k

Вихідна

форма

фотоциклу WT

D96E, D96N, WT з дом., D96E з дом, D96N з дом

4-keto, 4keto-D96N 633, 510, 488

633, 510, 488

510, 488 0.04?0.005

0.06?0.005

0.14?0.01

Найбільш

довгоживучий інтермедіат WT, D96E, D96N, WT з дом., D96E з дом, D96N з
дом

4-keto, 4keto-D96N 442

442 0.11?0.01

0.16?0.02

Одержані значення молекулярного дихроїзму розглянутих модифікацій БР для
вихідного і найбільш довгоживучого інтермедіата фотоциклу (таблиця 1)
вказують на те, що ці модификації БР-плівок дещо знижують анізотропію
поглинання вихідної форми і в той же час неістотно впливають на

анізотропію поглинання найбільш довогоживучого інтермедіата БР.

У другому розділі представлені результати дослідження фотоіндукованих
процесів в бактеріородопсині за допомогою динамічної поляризаційної
голографії.

. У цьому випадку в просторі змінюється як еліптичність, так і азимут
записуючого поля:

, (2)

 – період решітки.

При запису поляризаційної решітки у просторі модулюється тільки
поляризація, на відміну від запису однаково лінійно поляризованими
хвилями решітки інтенсивностей, коли в просторі змінюється тільки
інтенсивність результуючої хвилі:

(3)

Розрахунок здійснювався з урахуванням анізотропно насичуваної
нелінійності плівок із БР у наближенні тонких заданих решіток.

У кожній точці середовища під дією еліптично поляризованого світла
індукується оптична анізотропія (дихроїзм та подвійне
променезаломлення), вісь якого збігається з віссю еліпса, а збурення
комплексного показника заломлення дорівнює:

. (4)

– максимально досяжне збурення комплексного показника заломлення під
дією циркулярно поляризованого збуджуючого світла. Зчитуюча хвиля у
вигляді

буде промодульована на виході із середовища:

(5)

– матриця повороту. Дифрагована хвиля першого порядку визначалася як
перший член розкладу в ряд Фур’е хвилі на виході з середовища):

, (6)

.

 – поляризаційна решітка, поляризація зчитуючого пучка збігається з
поляризацією одного із записуючих пучків). Між результатами експерименту
і розрахунку спостерігаються деякі розходження. Однак найбільш істотні
розбіжності між розрахунком і експериментом спостерігаються при
порівнянні залежності співвідношення дифракційних ефективностей решітки
інтенсивностей і поляризаційної решітки ?e/?? від загальної
інтенсивності записуючих пучків при різних співвідношеннях між
інтенсивностями записуючих пучків (рис.3а).

спостерігається добре узгодження експериментальної залежності та
результатів розрахунку співвідношення між дифракційними ефективностями
решітки інтенсивностей і поляризаційної решітки від інтенсивності
записуючих пучків (рис.3б).

Таким чином, порівняння експериментальної та одержаної теоретично
залежності співвідношення між дифракційними ефективностями решітки
інтенсивностей і поляризаційної решітки від інтенсивності записуючих
пучків є дуже чутливим методом для вивчення залежності часу відновлення
вихідної форми bR570, який також може бути використаний і для інших
середовищ з залежністю часу відновлення (або релаксації) від
інтенсивності.

Методи динамічної голографії також були використані для дослідження
процесу світлоадаптації. У плівках, що досить довгий час знаходилися в
темряві, в рівній пропорції утворюється суміш молекул БР з all-trans-
(bR570) та 13-cis-ізомерами ретиналя (bR550) з максимумами поглинання на
570 нм та 550 нм відповідно. Під дією

світла відбувається процес світлоадаптації: молекули в темноадаптованій
форми bR550, які не беруть участі в основному фотоциклі, переходять у
вихідну форму фотоциклу bR570. Дослідження властивостей світлоадаптації
є дуже важливими, оскільки, з одного боку, схожий процес відбувається
при зоровому процесі, а з іншого боку, визначення оптимальних умов
світлоадаптації є необхідним з точки зору практичного використання
плівок із БР. Близькість максимумів смуг поглинання форм bR570 і bR550
ускладнює дослідження світлоадаптації спектральними методами.

?

$ ` ? i j

¦

a

@

@

@

@

@

@

@

@

@

@

&

F

@

$`’0*

????o? ???????

j

j

@

$

@

$

@

@

@

@

@

. Одержане значення близьке до молекулярного дихроїзму найбільш
довгоживучого інтермедіату фотоциклу M412, в якому ретиналь також
знаходиться в 13-cis формі. Анізотропія поглинання темноадаптованої
форми вказує на те, що адаптація циркулярно поляризованим або природним
світлом є найбільш ефективною.

У третьому розділі розглянуті можливості поляризаційного керування
характеристиками дифрагованої хвилі та мультиплексний запис решіток в
плівках із БР.

), змінюючи співвідношення між інтенсивностями записуючих пучків m при
сталій сумарній інтенсивності (рис.3б).

від 1.5 до 30 в плівці на основі мутанта D96N БР з домішками). Це
можна використати для створення поляризаційного голографічного
модулятора.

При голографічній обробці інформації в реальних схемах важливим
параметром є не тільки дифракційна ефективність голограми, а й
інтенсивність дифрагованого пучка, яка визначає яскравість вихідного
зображення. Збільшення інтенсивності зчитуючого пучка призводить до
стирання решітки. Встановлено, що для однієї і тієї ж інтенсивності
зчитуючого пучка в області інтенсивностей запису, далеких від насичення,
інтенсивність дифрагованого пучка вища при зчитуванні з поляризацією,
паралельною до поляризації записуючих пучків, а в області насичення
решітки інтенсивність дифрагованого пучка істотно зростає при
використанні тестуючого пучка поляризованого ортогонально до поляризації
записуючих пучків.

У ряді практичних застосувань плівок із БР, наприклад у схемах
голографічної інтерферометрії, виникає необхідність мультиплексного
запису декількох голограм. Нами розглянуто одночасний мультиплексний
запис лінійно поляризованими пучками рівної інтенсивності у плівці з БР
двох решіток інтенсивностей. Вперше запропоновано здійснювати запис так,
щоб поляризації пучків, що записують різні решітки, були ортогональні
між собою.

перевищує межу кутової селективності (кутовий мультиплексний запис),
для кожної з решіток використовується окремий зчитуючий пучок, а
дифраговані пучки також розділені у просторі. Результуюче світлове поле
першої решітки промодульоване у просторі:

, (7)

, діє на першу як некогерентне підсвічування, інтенсивність якого
періодично змінюється у просторі:

, (8)

. Дифракційна ефективність першої решітки обчислювалася як перший член
розкладу в ряд Фур’е:

, (9)

де модуляція комплексного показника заломлення для заданої координати x
наближено визначалася, як результат усереднення по координаті z:

. (11)

На рис.7 зображено теоретичні лінії та експериментальні точки залежності
дифракційної ефективності однієї з решіток від загальної інтенсивності
записуючих пучків для плівки на основі мутанта бактеріородопсина D96N з
хімічними домішками в полімерній матриці. При записі різних решіток
ортогонально лінійно поляризованими пучками (крива 1) максимальна
дифракційна ефективність падає приблизно вдвічі, у порівняннянні із
записом однієї решітки. При записі двох решіток однаково лінійно
поляризованими пучками спостерігається чотирикратне зменшення
дифракційної ефективності (крива 2). Одержані результати можна пояснити
таким чином. Завдяки оборотній анізотропній фотоселекції молекул БР у
випадку ортогональної поляризації пучків, що записують різні решітки, в
утворенні першої та другої решітки, беруть участь переважно різні групи
молекул, а при записі обох решіток однаково поляризованими пучками
використовуються ті ж самі молекули. Таким чином, використання для
запису другої решітки пучків, поляризованих ортогонально до поляризації
пучків, які записують першу решітку, призводить до більш ніж двократного
збільшення дифракційної ефективності в порівнянні з однаковими
поляризаціями записуючих пучків.

Четвертий розділ присвячений використанню фотоанізотропних властивостей
плівок із БР для реалізації декількох схем нелінійної просторової
модуляції світла.

Для блокування частин зображення з високою інтенсивністю запропонована
схема на основі анізотропії B-M-типу, що індукувалася при одночасній дії
двох променів у хімічно модифікованій плівці D96N БР, розміщеній між
схрещеними поляризатором і аналізатором. Об’єктний промінь He-Ne лазера,
площина поляризації якого складала 45? з площиною пропускання
поляризатора, здійснював анізотропну фотоселекцію молекул БР у вихідній
формі bR570. Тестуючий промінь He-Cd лазера проходив через поляризатор,
плівку з БР та аналізатор і вихідне зображення фіксувалося CCD камерою,
одночасно здійснювалася анізотропна фотоселекція молекул в інтермедіаті
M412. Використання анізотропії B-M-типу дає можливість збільшити
інтенсивність вихідного зображення, одночасно збільшуючи інтенсивності
тестуючого і об’єктного променя, що не призводить до стирання
анізотропії.

Блокування частин об’єкта високої інтенсивності здійснювалося при
збільшенні їх інтенсивності до насичення, коли БР-плівка локально
переходить у тимчасовий ізотропний стан, фотоіндукована анізотропія стає
близькою до нуля, а завдяки тому, що більшість молекул переходить в
інтермедіат М412 поглинання тестуючої хвилі зростає. Для демонстрації
потенціальних можливостей розглянутої схеми в якості найпростішого
прикладу з неоднорідним просторовим розподілом інтенсивності був обраний
об’єкт з гаусовим розподілом інтенсивності. На рис.8а представлено
фотографії вихідного зображення при блокуванні центральних частин
гаусового пучка з вихідним контрастом 150:1 (співвідношення між
інтенсивностями найбільш світлої і темної частин вихідного зображення).
Високе значення контрасту зумовлено використанням як фотоіндукованої
анізотропії, так і реверсивних змін поглинання.

Блокування частини зображення заданої інтенсивності в реальному масштабі
часу без повертання аналізатора здійснювалося за допомогою додаткового
керуючого променя He-Ne лазера з поляризацією, ортогональною до
поляризації об’єктного. У точках об’єктного зображення з інтенсивністю,
рівною інтенсивності керуючого променя, молекули БР поглинають червоне
світло однаково, незалежно від власної кутової орієнтації і
фотоіндукована анізотропія локально зникає. На рис.8б представлені
фотографії вихідного зображення при блокуванні частин зображення певної
інтенсивності на прикладі гаусового пучка з контрастом 100:1.

На основі анізотропії В-М типу нами запропонована схема, яка може
виконувати чотири логічні операції над вхідними зображеннями: A XOR B
–»виключаюче або», NOT A – логічне заперечування «ні», A AND B – логічне
множення «і», NOT(A IMP B) – операція, обернена до логічної імплікації.
Вибір типу операції здійснюється оптично без механічної перебудови
схеми.

Нами реалізовано перетворення некогерентного сигналу білого
випромінювання в когерентний сигнал з одночасною модуляцією по
інтенсивності на основі анізотропії B-типу. На відміну від розглянутої
вище схеми, для створення об’єктного променя застосовувалася галогенова
лампа (випромінювання з довжинами хвиль, меншими 450 нм, поглиналося
світлофільтром), а тестування здійснювалося He-Ne лазером. Оскільки в
схемах блокування частин зображення певної інтенсивності на об’єктний
промінь не накладається ніяких обмежень по когерентності, то для
створення об’єктного зображення в них також можна використовувати
некогерентне біле випромінювання.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі встановлено, що анізотропні властивості вихідної
форми фотоциклу bR570 та найбільш довгоживучого короткохвильового
інтермедіата М412, низька інтенсивність насичення полімерних плівок із
БР дозволяють в реальному часі ефективно блокувати частини зображення
певної інтенсивності, змінювати співвідношення між дифракційними
ефективностями решітки інтенсивностей та поляризаційної решітки тільки
за допомогою варіювання інтенсивності малопотужного збуджуючого
випромінювання.

Основні результати роботи полягають в наступному:

Встановлено, що в плівках найбільш довгоживучий короткохвильовий
інтермедіат фотоциклу М412 проявляє значні анізотропні властивості,
придатні для використання в оптичних пристроях. Виявлено змішаний
В-М-тип нелінійної анізотропії, котрий базується одночасно на
анізотропних властивостях інтермедіатів bR570 та М412 і дає
фотоанізотропний відгук, що перевищує приблизно у два рази відгук В-типу
анізотропії і в три рази відгук М-типу анізотропії, що базуються тільки
на анізотропних властивостях bR570 і М412 відповідно.

Виявлено, що хімічні домішки в полімерну матрицю збільшують
фотоанізотропний відгук приблизно в 4 рази для В-типу та в 6 разів для
М-типу і B-M-типу анізотропії в порівнянні з плівками без домішок.
Показано, що це обумовлено значно

більшою кількістю фотознебарвлених молекул БР у хімічно модифікованих
плівках, ніж у природному БР та Asp96 генетичних мутантах.

Розроблено методику розрахунку характеристик амплітудно-фазових
динамічних поляризаційних решіток у плівках із БР з урахуванням
молекулярного дихроїзму форми bR570. Розглянуто запис решіток при
довільному співвідношенні інтенсивностей ортогонально лінійно
поляризованих записуючих пучків, при якому відбувається просторова
модуляція не тільки еліптичності, але й азимуту результуючого світлового
поля.

Порівняння експериментальної та одержаної теоретично залежності
співвідношення між дифракційними ефективностями решітки інтенсивностей і
поляризаційної решітки від інтенсивності записуючих пучків є дуже
чутливим методом для вивчення залежності часу відновлення вихідної форми
bR570 від інтенсивності збуджуючого світла, оскільки при записі решітки
інтенсивностей відбувається модуляція в просторі часу відновлення форми
bR570, а при записі поляризаційної решітки така модуляція практично
відсутня.

Виявлено і досліджено поляризаційні властивості процесу світлоадаптації
молекул БР.

Запропоновано мультиплексний одночасний запис у плівці з БР двох решіток
інтенсивностей при різній взаємній поляризації записуючих пучків.
Теоретично і експериментально показано, що використання для запису
однієї з решіток пучків, поляризованих лінійно і ортогонально до
поляризації пучків, які записують іншу решітку, призводить до більш ніж
двократного збільшення дифракційної ефективності в порівнянні з записом
двох решіток із однаковими поляризаціями.

Результати дисертації опубліковані в роботах:

1*. Korchemskaya E.Y., Stepanchikov D.A. Photoinduced Anisotropy and
Dynamic Polarization Holography on Bacteriorhodopsin Films for Optical
Information Processing // Molecular Electronics: Bio-sensors and
Bio-computers. – Kluwer Academic Publishers, 2003. – P.301-310.

2*. Korchemskaya E.Ya., Stepanchikov D.A., Dyukova T.V., Shakhbazian
V.Yu. B–M–type Anisotropy in Bacteriorhodopsin Films for Nonlinear
Spatial Light Modulation // SPIE Proceedings. – 2002. – Vol.4833. –
P.525-534.

3*. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Burykin N. Potentials of Dynamic
Holography on Bacteriorhodopsin Films for Real-Time Optical Processing
// Bioelectronic Applications of Photochromic Pigments. – IOS Press,
2001. – P.74-89.

4*. Korchemskaya E.Y., Stepanchikov D.A. Dynamic Polarization Holography
for Exploring Photoinduced Reactions in Bacteriorhodopsin // Optical
Memory and Neural Networks. – 2001. – Vol.10, No.3. – P.137-146.

5*. Korchemskaya E., Burykin N., Stepanchikov D. Properties of
photorefractive gratings in bacteriorhodopsin films for real-time
optical signal processing // OSA Trends in Optics and Photonics Series.
– 2001. – Vol. 62. – P.370-378.

6*. Корчемская Е.Я., Степанчиков Д.А., Дружко А.Б., Дюкова Т.В., Чалый
А.В., Жабоедов Г.Д., Олейник Ю.Р. Взаимосвязь характеристик
фотондуцированного обратимого дихроизма и изменений
хромофор-протеинового взаимодействия в биологическом фоторецепторе
бактериородопсин // Актуальні Проблеми Медицини та Біології. –2001. –
№1. – C.243-252.

7*. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Dyukova T. Photoinduced Anisotropy
in Chemically-modified Films of Bacteriorhodopsin and its Genetic
Mutants // Optical Materials. – 2000. – Vol.14. – P.185-191.

8*. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Druzhko A., Dyukova T. Mechanism
of Nonlinear Photoinduced Anisotropy in Bacteriorhodopsin and its
Derivatives // Journal of Biological Physics. – 1999. – Vol.24. –
P.201-215.

9*. Корчемська О.Я., Степанчиков Д.А. Фотоіндукована анізотропія в
полімерних плівках з бактеріородопсином // Матеріали III Всеукраїнської
конференції “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики”.
Фізико-хімія конденсованих структурно-неоднорідних систем. – Київ. –
1998. – C.140-144.

10*. Корчемська О.Я., Степанчиков Д.А. Два методи наведення
фотоіндукованої анізотропії у полімерних плівках на основі
бактеріородопсину // Вісник ЖІТІ. – 1998. – №7. – C.116-123.

11*. Korchemskaya E., Stepanchikov D. Real-time Selective Image
Processing Using Photoinduced Anisotropy of Bacteriorhodopsin Polymer
Films // SPIE Proceedings. – 1997. – Vol.3486. – P.154-162.

12*. Korchemskaya E., Soskin M., Stepanchikov D., Druzhko A., Dyukova T.
Nonlinear Polarizaton Interaction in Bacteriorhodopsin Films with
Anisotropically Saturating Absorption // SPIE Proceedings. – 1995. –
Vol.2802. – P.200-210.

13*. Korchemskaya E., Soskin M., Stepanchikov D. Anizotropically
Saturating Nonlinearity of the Polymer Films with Bacteriorhodopsin //
SPIE Proceedings. – 1994. – Vol.2265. – P.401-412.

14*. Korchemskaya E., Soskin M., Stepanchikov D., Druzhko A., Dyukova
T., Vsevolodov N. Application of Polymer Films Based on
Bacteriorhodopsin and its Analogs for Low-light-level Imaging System //
SPIE Proceedings. – 1995. – Vol.2416. – P.200-211.

та тезах конференцій:

1**. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Burykin N., Basistiy I.,
Bugaychuk S., Ebrey T.G., Balashov S.P. Investigation of dynamic
holography features accompanying phototransformations in
bacteriorhodopsin // Proceeding of the International Symposium on
Retinal Proteins: Experiments and Theory. – Heidelberg (Germany). –
2004. – P.8.

2**. Korchemskaya E., Stepanchikov D. Dynamic polarization holography on
bacteriorhodopsin films: application for real-time optical processing
and photocycle intermediate study // Proceedings of 293th W&E Heraeus
Seminar “NanoBionics II – from Molecules to Applications”, Marburg
(Germany). – 2002. – P.75.

3**. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Dyukova T. Chemically modified
bacteriorhodopsin films as optoelectronic media // Proceedings of 293th
W&E Heraeus Seminar “NanoBionics II — from Molecules to Applications”. –
Marburg (Germany). – 2002. – P.68.

4**. Korchemskaya E., Burykin N., Stepanchikov D. Nonlinear optical
properties of bacteriorhodopsin for real-time selective image processing
// Proceedings of the 9th International Conference on Retinal Proteins.
– Szeged (Hungary). – 2000. – P.96.

5**. Korchemskaya, E., Stepanchikov D. Real-time optical spatial
filtering using anisotropic properties of bacteriorhodopsin photocycle
intermediates // Proceedings of 238th W&E Heraeus Seminar “NanoBionics –
from Molecules to Applications”. – Marburg (Germany). – 2000. – P.3.

6**. Korchemskaya E., Stepanchikov D., Druzhko A., Dyukova T.
Interrelation of laser-induced anisotropy and chromophore-protein
interactions in biological photoreceptor bacteriorhodopsin //
Proceedings of 6th International Conference on Laser Applications in
Life Sciences. – Jena (Germany). – 1996. – P.1.35.

Цитована література:

Burykin N., Korchemskaya E., Soskin M., Taranenko V., Dukova T.,
Vsevolodov N. Photoinduced Anisotropy in Bio-chrom Films // Opt. Commun.
– 1985. – Vol.54. – P.68-71.

Korchemskaya E.Ya., Soskin M.S. Polarization Properties of Four-Wave
Interaction in Dynamic Recording Material Based on Bacteriorhodopsin //
Opt. Engin. – 1994. – Vol.33. – P.3456-3460.

Балашов С.П., Литвин Ф.Ф. Фотохимические превращения бактериородопсина /
Под ред. А.А. Красновского. – М.: изд-во МГУ, 1985. – 162 с.

Hampp N., Brдuchle C., Oesterhelt D. Bacteriorhodopsin wildtype and
variant aspartate-96?asparagine as reversible holographic media //
Biophysical Journal. –1990. – Vol.58. – Р.83-92.

Dukova T., Lukashev E. Dehydration Effects on D96N Bacteriorhodopsin
Films // Thin Solid Films. – 1996. – Vol.283. – P.1-4.

Druzhko A., Weetal H. Photoinduced Transformations of Wild Type and D96N
Mutant 4-keto-bacteriorhodopsin gelatin films // Thin Solid Films. –
1997. – Vol.293, No.1-2. – P.281-284.

Birge R. Photophysics and molecular electronic applications of the
rhodopsins // Annu. Rev. Phys. Chem. – 1990. – Vol.41. – P.683-733.

Seitz A. and Hampp N. Kinetic Optimization of Bacteriorhodopsin Films
for Holographic Interferometry // J.Phys.Chem.B. – 2000. – Vol.104. –
P.7183-7192.

Анотація

Д. А. Степанчиков «Поляризаційні властивості фототрансформацій
бактеріородопсина для нелінійної просторової модуляції світла» –
Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата
фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 – оптика, лазерна
фізика. Інститут фізики Національної академії наук України, Київ, 2005.

Проведено дослідження оптичної анізотропії, наведеної при одночасній дії
двох збуджуючих променів різної поляризації, які попадають у смуги
поглинання вихідної форми bR570 фотоцикла бактеріородопсина (БР) і
найбільш довгоживучого короткохвильового інтермедіату M412, відповідно.
Досліджено фотоіндуковану анізотропію в полімерних плівках із природним
БР, генетичними мутантами D96N і D96E БР, аналогами 4-keto БР і
4-keto-D96N БР та в плівках із хімічними домішками в полімерній матриці,
що збільшують час життя М412.

Розроблено методику розрахунку характеристик амплітудно-фазових
динамічних поляризаційних решіток у плівках із БР з урахуванням
молекулярного дихроїзму при довільному співвідношенні інтенсивностей
записуючих хвиль. Голографічними методами виявлено анізотропію процесу
світлоадаптації БР.

Здійснено мультиплексний одночасний запис у плівці з БР двох решіток
інтенсивностей з ортогональною поляризацією пучків, що записують різні
решітки. Це призводить до більш ніж дворазового збільшення дифракційної
ефективності у порівнянні з записом решіток однаковими поляризаціями. На
основі анізотропії B–M–типу запропоновано схеми селективного блокування
певних частин зображення у реальному часі.

Ключові слова: бактеріородопсин, полімерні плівки, фотоіндукована
анізотропія, динамічна поляризаційна голографія, світлоадаптація,
нелінійна оптична фільтрація.

Аннотация

Д.А. Степанчиков «Поляризационные свойства фототрансформаций
бактериородопсина для нелинейной пространственной модуляции света» –
Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата
физико-математических наук по специальности 01.04.05 – оптика, лазерная
физика. Институт физики Национальной академии наук Украины, Киев, 2005.

Проведено исследование оптической анизотропии, наводимой при
одновременном воздействии двух возбуждающих лучей разной поляризации,
попадающих в полосы поглощения исходной формы bR570 фотоцикла
бактериородопсина (БР) и наиболее долгоживущего коротковолнового
интермедиата M412, соответственно. Исследована фотоиндуцированная
анизотропия в полимерных пленках с природным БР, генетическими мутантами
D96N и D96E БР, аналогами 4- keto БР и 4- keto- D96N БР, в пленках с
химическими примесями в полимерной матрице, которые увеличивают время
жизни М412.

Разработана методика расчета характеристик амплитудно-фазовых
динамических поляризационных решеток в пленках с БР с учетом
молекулярного дихроизма при произвольном соотношении интенсивностей
записывающих волн. Голографическими методами выявлена анизотропия
процесса светоадаптации БР.

Осуществлена мультиплексная одновременная запись в пленке с БР двух
решеток интенсивности с ортогональной поляризацией пучков, записывающих
разные решетки. Это приводит к более чем двукратному увеличению
дифракционной эффективности в сравнении с записью решеток одинаковыми
поляризациями. Представлены схемы на основе анизотропии B-M-типа для
селективного блокирования определенных частей изображения в реальном
времени.

Ключевые слова: бактериородопсин, полимерные пленки, фотоиндуцированная
анизотропия, динамическая поляризационная голография, светоадаптация,
нелинейная оптическая фильтрация.

Summary

D.A.Stepanchikov «Polarization properties of bacteriorhodopsin
phototransformations for nonlinear spatial light modulation» –
Manuscript. Thesis for Candidate’s Degree in Physics and Mathematics by
speciality 01.04.05 – optics, laser physics. – Institute of Physics,
National Academy of Sciences, Ukraine, Kyiv, 2005.

In this thesis, the photoinduced anisotropy in bacteriorhodopsin (BR)
films has been studied using simultaneous action of two exciting beams
of various polarizations. The exciting beams has different wavelengths.
One of the exciting beams activates solely the initial photocycle form
bR570 and the other activates predominantly the longest-lived
shortwavelength-absorbing photocycle intermediate M412. It is obtained
that М412 intermediate has the pronounced photoanisotropic properties.
Two orthogonally linearly polarized exciting beams induce the B-M-type
anisotropy based simultaneously on the anisotropic properties of bR570
and М412 intermediates. Due to the optimization of molecular anisotropic
distribution, a photoanisotropic response for the B-M-type anisotropy is
nearly twice as large as that for the B-type anisotropy (based only on
the anisotropic properties of bR570) and three times larger as that for
the M-type anisotropy (based only on the anisotropic properties of
М412). The obtained results are explained in terms of the model of the
reversible anisotropic photoselection of BR molecules under the action
of linearly polarized light.

Photoinduced anisotropy is studied in the polymer films with genetic
mutants D96N and D96E BR, reconstructed proteins 4-keto and 4-keto-D96N
BR wherein a chromophore retinal is substituted by artificially
synthesized chromophore 4-keto retinal and in the films with chemical
additions in a polymer matrix. The molecular dichroism of bR570 and М412
intermediates is estimated in these BR films. It is revealed that
chemical modification of BR films results in almost four-fold increase
of photoanisotropic response for the B-type and six-fold increase – for
M-type and B-M-type anisotropy. Photoanisotropy growth in
chemically-modified BR films arises from an increase of a number of
bleached BR molecules under the influence of chemical environment on BR.

Calculations of a diffraction efficiency of the amplitude-phase dynamic
polarization holographic grating in the BR films are performed taking
into account the molecular dichroism value of bR570 form and arbitrary
relationship between intensities of the orthogonally linearly polarized
recording beams. The holographic method is proposed for the study of the
exciting light intensity effect on the average recovery time in the
initial form bR570.

Polarization properties of the light adaptation process are revealed and
explored by the dynamic polarization holography method. It is important
for both the BR films applications and the vision process study as well.

The multiplex simultaneous recording of two intensity gratings by using
recording beam pairs with different light polarization is realized. For
the media with reversible anisotropic photoselection, it is shown both
experimentally and theoretically that diffraction efficiency is more
than two times as large for two overlapping intensity holographic
gratings recorded by mutually orthogonally polarized beam pairs as for
ones recorded with parallel polarized beam pairs.

It is shown that a mechanism for a reversible anisotropic photoselection
of BR molecules, a very small saturation intensity of the
chemically-modified BR films and the use of the B-M-type anisotropy
allow for the real-time selective blocking of image features having
particular intensity by just varying an intensity of low-power light
sources.

Key words: bacteriorhodopsin, polymer films, photoinduced anisotropy,
dynamic polarization holography, light adaptation process, nonlinear
optical filtration.

PAGE \* Arabic 2

Похожие записи