CN101130682A - 一种视黄醛膜蛋白双重封装材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属高分子材料和信息材料技术领域，具体为一种将具有光学响应的视黄醛膜蛋白双重封装的材料以及制备方法。将以分散、固定蛋白质分子为目的的一重封装和以隔离保护、外观控制及改善表面光学性能为目的的二重封装相结合，封装后的材料更有利于作为光学器件的使用，在保存、安装、拆卸、运输的过程中能保持良好的性能，可以制备标准化的器件，增加了适用范围，为技术的交流和规模化使用提供了有利的条件。

Description

一种视黄醛膜蛋白双重封装材料及其制备方法

技术领域

本发明属高分子材料和信息材料技术领域，具体涉及了一种将具有光学响应的视黄醛膜蛋白双重封装材料及其制备方法。

背景技术

具有光活性响应的视黄醛膜蛋白包括细菌视紫红质(bacteriorhodopsin，BR)，古紫质(Archaerhodopsin，例如AR4，见Li，Q.G.et al，BBA 1466，260-266，2000；Ming，M.Biophys.J.90，3322-3332，2006)及其它们的突变体与聚合物混合制得的复合材料在光存储和处理领域有广泛的应用前景，可应用于光信息存储(包括两维存储、三维存储和全息存储等)和光信息处理(包括光转换、光过滤和信号调节等)等方面。(Hampp，N.Chem.Rev.2000，100，1755-1776)。

这些复合材料在制备后往往只作简单的固定就进行测试，并没有一个标准化的封装。其缺点是一方面由于材料对环境的依赖性，需要在较短的时间内进行测试和存放，或者在测试或者保存的时候花费时间和精力调整环境条件来保护材料；另一方面材料没有标准的规格，使其在应用时不具有通用性和普适性，影响技术交流和产业化生产。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有光学响应的视黄醛膜蛋白双重封装材料及其制备的方法，使该材料更有利于其作为光学器件的使用，并在保存、安装、拆卸、运输的过程中能保持良好的性能。

本发明提出的具有光学响应的视黄醛膜蛋白的双重封装材料，是由以视黄醛膜蛋白质分子的分散与固定为目的一重封装材料和以保护与外形控制为目的的二重封装材料构成。

上述的视黄醛膜蛋白具有光循环和质子泵功能，包括细菌视紫红质(BR)、古紫质(AR)，或它们的突变体。

上述的双重封装材料中，第一重封装材料是由视黄醛膜蛋白质分子和基质材料构成的均匀透明的干燥复合膜，实现蛋白质分子的分散与固定，蛋白质分子的重量比例为5％-40％。基质材料一般选择的是高分子或可聚合的单体，要求是在干燥定型后能够成膜，无色透明，与蛋白质混合不会引起蛋白质功能的丧失；基质材料可以采用水溶性的，比如聚乙烯醇(PVA)或明胶，一般浓度为5％-20％；也可以用非水溶性的，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

第二重封装材料是由填充材料和外封装材料组成的封闭体系，为上述一重封装材料提供保护并为材料的应用提供所需的光学表面和外型结构。填充材料的作用主要是将蛋白质材料与外界隔离，防止外面的水、氧气或其他物质对蛋白质材料的侵蚀和破坏，因此填充材料本身要是惰性的，不与蛋白质材料有强烈的相互作用，比如引起蛋白质变性，基质材料溶解、溶涨、结晶或变形等。填充材料一般为液态，利用液体的流动和填充作用赶走材料表面的气体，将材料完全包裹在内部。封装时液体与外封装材料紧密贴合形成平滑的面，改善了原来材料由于表面不平整引起的光散射损失。常用的填充材料有正己烷、液体石蜡或甘油等，也可以是在封装后再固化的填充剂，如二甲基硅氧烷。而外封装材料是器件的最外层，对内来说需要将内部的物质密封，进一步隔离蛋白质材料与外界的接触，同时提供一定机械强度的保护，防止外力对内部的破坏；对外来说需要形成特定的形状和大小以满足不同条件的使用，而且不影响光信息的输入输出。所以外封装材料的选择要同时满足下述要求：密封性好，有一定强度，表面光滑平整，透光性好以及加工方便。一般来说普通玻璃、石英玻璃或有机玻璃等都可以达到要求，但具体材料还要根据实际需要选择。

本发明还提出了上述二重封装材料的制备方法，具体步骤如下：

1.将视黄醛膜蛋白质干粉或悬浮液，与基质材料按所述重量比例混合、溶解，调节混合液的pH值到所需范围，利用超声使其分散均匀，得到澄清透明混合液；用5μm纤维素酯微孔滤膜过滤，混合液置于膜具中，使之干燥，得到一重封装的复合膜；

2.上述将复合膜浸透在填充材料中，夹于外封装材料中间，利用密封胶水或其他封口方法将口封住。(需要固化的填充液如事先加好引发剂的二甲基硅氧烷，在封装后提供聚合条件使其聚合固化。)

上述制备方法中，使用蛋白质干粉与基质溶液混合，是为了达到高浓度的蛋白加入量，这样扩大了蛋白质浓度的调节范围，一般步骤(1)的混合液中蛋白质的浓度为5mg/mL-40mg/mL，基质材料的起始浓度为5％-20％(w/w)。混合液的pH值可按照不同要求用不同的缓冲液达到。

上述方法中，混合液的分散是通过超声实现的，超声功率为100-200W，超声时间3-5s，间隔时间30s-50s上，超声次数10-100次，超声后可以得到均匀分散，澄清透明的混合液。

上述方法中，一重封装的复合材料的干燥，可以在盛有变色硅胶和饱和MgCl₂的干燥器中进行，湿度为40％-50％，在温度4℃下放置24小时，得到平整均匀透明的复合膜。

上述方法中，一重封装的复合材料浸在填充液中，上下都不能留有气泡，外封装材料与复合膜也要紧密贴合，中间不能留有气泡。

密封的方法，可以使用防水防油的胶水或高温熔融法。

本发明的特点在于提出了用两重材料进行封装得到可用于光信息存储和处理的视黄醛膜蛋白复合材料，利用高分子基质的分散和固定，液体填充物与固体封装材料结合使用为蛋白质提供了一个可以保持本身光学特性的环境，同时又能满足器件化使用的要求，解决了一个应用方面的重要问题。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步描述本发明，但并不限于这些实施例。

实施例1

细菌视紫红质-聚乙烯醇复合膜的液体石蜡封装

称取3.3g分子量80000、醇解度98％的聚乙烯醇(PVA)加入到30mL水中加热至90℃搅拌到完全溶解，得到10％(wt)的透明溶液，冷却后备用。将从R₁M₁菌株中提取的细菌视紫红质蛋白悬浮液加入到1mL聚乙烯醇溶液中，蛋白质浓度为10mg/mL。混合液在YJ92-II型超声波细胞粉碎机上超声分散，功率150w，超声时间4s，间隔40s，超声10次，得到澄清透明混合液，吸取适量液体，铺展于边长1cm，深度5mm的方形膜具孔中，放入干燥器内，在4℃环境中干燥24小时，得到细菌视紫红质-聚乙烯醇复合膜。

取两块边长为1cm，厚度1mm的透明普通玻璃片，用擦镜纸擦拭干净，一片放置在台面上，上面滴一滴液体石蜡，铺展开，将已经制备好了的细菌视紫红质-聚乙烯醇复合膜平放在液体上，轻轻下压复合膜，赶走膜与下面玻璃间的气泡，在膜上再滴一滴液体石蜡，铺展浸没膜片，慢慢将另一块玻璃盖上，不要留有气泡。用夹子夹住两片玻璃的两端，擦掉溢出的液体，不要让气泡进入，用504胶水混合后涂抹在玻璃四周，24小时后胶水固化后将夹子取下，擦拭玻璃，即可使用。

实施例2

古紫质4-明胶复合膜的硅烷封装

称取明胶颗粒1g，加入到10mL水中，60℃热水浴搅拌至完全溶解，得到浓度10％(wt)的明胶溶液，将从菌株xz515中提取的古紫质4蛋白冷冻干燥成干粉，称取蛋白干粉40mg悬浮于0.5mL水中，在YJ92-II型超声波细胞粉碎机上超声分散，功率100w，超声时间5s，间隔30s，超声15次，吸取0.5mL 10％明胶溶液，加入蛋白悬浮液中，热水浴中搅拌混合，再次超声分散，功率100w，超声时间5s，间隔30s，超声15次，得到澄清透明混合液，趁热用5μm.水相过滤膜过滤混合液，吸取适量液体，铺展于直径1.5cm，深度1mm的圆形膜具孔中，置于4℃待其成凝胶，干燥24小时，即可得到均匀平整的可用于光信息存储的古紫质4-明胶复合膜。

取1mL二甲基硅氧烷单体，100引发剂，搅拌均匀，抽真空至0.08MPa，放置1小时除去气泡，取出备用。取两块直径为1.5cm，厚度1mm的透明有机玻璃圆片，用擦镜纸擦拭干净，一片放置在台面上，上面滴一滴除去气泡的混合液，铺展开，将已经制备好了的蛋白复合膜平放在液体上，轻轻下压复合膜，赶走膜与下面有机玻璃间的气泡，在膜上再滴一滴混合液，铺展浸没膜片，慢慢将另一块有机玻璃盖上，不要留有气泡。用夹子夹住两片有机玻璃的两端，擦掉溢出的液体，不要让气泡进入，玻璃四周用电烙铁融化，冷却固化后将夹子取下，置于60℃烘箱3小时，填充液固化，擦拭有机玻璃表面，即可使用。

实施例3

细菌视紫红质D96N突变体-聚乙烯醇复合膜的正己烷封装

称取3.3g分子量80000、醇解度98％的聚乙烯醇(PVA)加入到30mL水中加热至90℃搅拌到完全溶解，得到10％(wt)的透明溶液，冷却后备用。细菌视紫红质D96N蛋白冷冻干燥粉末加入到1mL聚乙烯醇溶液中，蛋白质浓度为20mg/mL。混合液在YJ92-II型超声波细胞粉碎机上超声分散，功率180w，超声时间3s，间隔40s，超声5次，得到澄清透明混合液，吸取适量液体，铺展于边长0.5cm，深度5mm的六方形膜具孔中，放入干燥器内，在4℃环境中干燥24小时，得到细菌视紫红质D96N-聚乙烯醇复合膜。

取两块边长为0.5cm，厚度1mm的六方形透明石英玻璃片，用擦镜纸擦拭干净，一片放置在台面上，上面滴一滴液体石蜡，铺展开，将已经制备好了的蛋白/聚合物复合膜平放在液体上，轻轻下压复合膜，赶走膜与下面玻璃间的气泡，在膜上再滴一滴液体石蜡，铺展浸没膜片，慢慢将另一块玻璃盖上，不要留有气泡。用夹子夹住两片玻璃的两端，擦掉溢出的液体，不要让气泡进入，用504胶水混合后涂抹在玻璃四周，24小时后胶水固化后将夹子取下，擦拭玻璃，即可使用。

实施例4

用“AR4”字样的掩膜覆盖在古紫质4-明胶硅烷封装膜片上，用200W的卤钨灯照射，中间经过滤热滤波玻片(＞500nm)，掩膜上“AR4”字样处为可透光部分，膜上相应的位置感光变色，便实现了简单的古紫质4-明胶硅烷封装膜的光信息可视化纪录。

Claims (5)

1.一种视黄醛膜蛋白双重封装材料，其特征在于由以具有光学响应的视黄醛膜蛋白质分子的分散与固定为目的的一重封装材料和以保护与外形控制为目的的二重封装材料两重封装材料构成，其中所述视黄醛膜蛋白为细菌视紫红质、古紫质或其突变体；第一重封装材料是由蛋白质分子与基质材料构成的均匀透明的干燥复合膜，蛋白质分子的重量比例为5％-40％，基质材料为高分子或可聚合单体；第二重封装材料是由填充材料和外封装材料组成的封闭体系，其中，填充材料采用正己烷、甘油、液体石蜡或二甲基硅氧烷，外封闭材料为石英玻璃、有机玻璃或普通玻璃。

2.根据权利要求1所述的视黄醛膜蛋白双重封装材料，其特征在于所述基质材料为聚乙烯醇、明胶或聚二甲基硅烷。

3.如权利要求1所述的视黄醛膜蛋白双重封装材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)将视黄醛膜蛋白质干粉或悬浮液，与基质材料按所述重量比例混合、溶解，调节混合液的pH值到所需范围，利用超声使其分散均匀，得到澄清透明混合液；用5μm纤维素酯微孔滤膜过滤，混合液置于膜具中，使之干燥，得到一重封装的复合膜；

(2)将上述复合膜浸透在填充材料中，夹于外封装材料中间，利用密封胶水或其他封口方法将口封住；

步骤(1)的混合液中蛋白质的浓度为5mg/mL-40mg/mL，基质材料的起始浓度为5％-20％(w/w)。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述对混合液进行超声分散的超声功率为100-200w，超声时间3-5s，间隔时间为30s-50s，超声次数为10-100次。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中复合材料的干燥在盛有变色硅胶和饱和MgCl₂的干燥器中进行，湿度为40％-50％，在温度4℃下放置24小时，得到平整均匀透明的复合膜。