题目：基于细菌视紫红质的仿生人工视觉系统

 

自然界经过数亿年的进化，对生物的结构与功能进行了选择和优化，例如通过光合作用可以将太阳能转化为化学能。而在盐湖中生长的嗜盐菌上发现的细菌视紫红质（bacteriorhodopsin, bR）是自然界存在的光合作用体系之一，这类分子结构中包含视黄醛色素团的蛋白质具有优异的光化学和跨膜质子传递性质。在光照激发下，bR可以完成包含若干中间态的光化学循环过程，将质子定向地从膜内侧输运到膜外侧，形成跨膜质子梯度。此外，bR具有二维三体六角形的晶格结构，这使得其具有良好的耐热性和化学稳定性。由于其独特的光电转换特性和突出的结构稳定性，从19世纪70年代初期发现至今，各领域的研究人员都一直致力于bR的应用研究，一些原型器件和新概念也不断被提出，如生物计算机，人工视网膜等。bR与哺乳动物视网膜的视紫红质具有相似的视黄醛结构和功能，因此通过其构筑人工视觉具有天然的优势，可以有效地扩展基于半导体阵列的人工视觉系统。

本文致力于细菌视紫红质/无机材料复合光电材料与系统的构筑和研究。基于bR的质子泵功能与光电转换特性，通过模拟视觉杆状细胞的垛堞与通道结构，研究bR/阳极氧化铝（AAO）纳米通道复合系统中的光电响应、频率响应特性的调控与生化机制；构建bR/纳米金多层垛堞结构，对光电性能进行改善与提升；制备图案化bR阵列，探讨在模拟视觉零交叉行为和简单成像中的初步应用。

主要研究内容如下：

(1) 建立用于区分bR膜片内外侧的新表征方法。

由于bR定向质子传递特性，在器件中需要恰当的区分膜片内外侧从而形成定向膜层。通过生物素/抗生物素特异性标记bR的糖脂, 利用原子力显微镜表征标记前后的膜层表面形态差异；利用高碘酸钠修饰的针尖可以清晰观测到生物素分子只在bR膜外侧发生标记，从而有效地区分其膜内外侧。这一方法的建立有助于bR的定向组装及实用光电器件的设计开发。

(2) 设计基于bR/AAO纳米通道的人工频率响应系统，初步模拟了视觉的频率响应特性。 

哺乳动物的视杆细胞具有多层盘状光感受器垛堞在纳米孔道视觉纤毛上的复合微观结构，将产生的间歇性光信号传输给神经元转化为连续电信号从而实现视觉成像。受这一结构的启发，将bR定向沉积在AAO纳米孔道表面来构筑仿视觉结构的光电材料与器件。研究发现闪烁光频率在130 Hz以下体系具有瞬时的频率响应特性；类似于哺乳动物中的临界融合频率，在该体系中也存在一个最佳的响应频率。研究表明这种频率响应特性是通过光激发引起的质子在bR膜层内的主动输运和在AAO孔道中的被动输运协同完成的。通过调节bR膜层厚度，AAO孔径，质子浓度梯度等因素对bR/AAO纳米孔道复合体系的频率响应和光电性能进行了有效调控。频率响应是构筑仿生视觉体系的基础，该部分工作中构筑的光频率响应体系将有助于开发人工视网膜和再现视觉的基本特性。

(3) 建立细菌视紫红质/金纳米颗粒仿视杆细胞垛堞结构，有效提升体系的光电性能。

为了提升bR/AAO纳米通道垛堞结构的光电性能，将bR膜层和纳米金交替沉积在AAO表面形成增强型复合光电体系。通过协同调控纳米金粒径，垛堞层数，膜片内外修饰模式，可将光电流调控到~350 nA cm-2。通过闪光动力学光谱对光电流增强机理进行了分析：在光激发下，细菌视紫红质的光循环速度和路径发生了改变，形成了新的旁路光循环路径（从M412 直接回复到基本态），从而加快光循环的速度，利于光电流的提升。同样在该体系中也存在频率响应特性，可将输入的闪变光束有效调制为电信号。

(4) bR膜层阵列化及在视觉成像中的初步应用。

通过模拟哺乳动物视网膜中光感受器微阵列结构，在金基底上设计构筑图案化的bR阵列。通过膜层厚度，缓冲液，pH值等有效地调控阵列的光电性能。并基于阵列化bR膜层模拟了视网膜感受眼的零交叉特性，形成了中心区域和周围区域极性相反的光电流信号。基于6 x 6 bR阵列完成简单视觉成像过程，能初步形成一个“工”字成像。虽然成像的分辨率有待提升，但目前的结果表明阵列化bR在人工视觉模拟和构建人造视网膜方面的巨大潜力。