阅读说明：本技术 一种基于生物蛋白的信息存储方法 (Information storage method based on biological protein ) 是由 陶虎 周志涛 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及信息存储领域,具体是一种基于生物蛋白的信息存储方法,所述方法包括：S1.制备掺杂或未掺杂功能基团的生物蛋白膜；S2.对待存储信息进行编码；S3.将编码后的信息以及功能基团中的信息存储于所述生物蛋白膜中；本发明能够存储生物信息,能够原位“写入”和“读取”数字化信息,能够实现数字化信息的重复写入或擦除,同时能够耐受高温、高湿度、辐照、磁场等恶劣条件。(The invention relates to the field of information storage, in particular to an information storage method based on biological protein, which comprises the following steps: s1, preparing a biological protein film doped or undoped with functional groups; s2, coding information to be stored; s3, storing the coded information and the information in the functional groups in the biological protein membrane; the invention can store biological information, can write in and read digital information in situ, can realize repeated writing or erasing of the digital information, and can resist severe conditions such as high temperature, high humidity, irradiation, magnetic field and the like.)

一种基于生物蛋白的信息存储方法

技术领域

本发明涉及信息存储领域，具体涉及一种基于生物蛋白的信息存储方法。

背景技术

在过去的二十年中，信息存储已开发出许多策略，其中包括：将深紫外或远紫外光源，双光束系统和3D存储架构，以将光存储密度提高到数百Gb/inch2。然而，为了获得高空间分辨率，这些方法中的许多不可避免地涉及时间和成本低效率的复杂过程。此外，它们使用常规的光学器件，该光学器件受到衍射极限的限制，并且不能将存储密度提高到远高于当前的工业标准。

散射型扫描近场光学显微镜最初用于实现超出衍射极限的超分辨率成像，为促进高分辨率纳米加工提供了一种有前途的替代策略。利用光学介质(例如，光敏基板或纳米粒子)与极端亚波长尺度的入射光之间的近场电磁相互作用，为利用光致效应进行纳米制造和操纵铺平了道路。例如，可以使用光纤或具有超尖尖端的扫描金属探针(或探针阵列)通过倏逝场的高光能密度来诱发非线性光学现象。倏逝场可用于处理材料表面的纳米级区域，光学纳米器件的制造以及纳米光刻。

为了提高光刻效率，进而提高信息存储过程的效率，必须协同考虑介质材料，入射光的波长以及探针的尖端尺寸和材料。具体而言，介质中的光刻模式(包括光诱导，热诱导，电诱导和应力/应变诱导的相变)实际上取决于材料。在这种情况下，丝素蛋白(一种来自家蚕的天然存在的蛋白质)因其机械强度，光学透明性，生物相容性，生物降解性和可调的水溶性而广受赞赏。由于该材料可以经历辐射诱导的纳米级多晶型转变，因此已被用作抗蚀剂-薄层，用于通过电子束，离子束光刻将电路图案转移到半导体衬底上。然而，这些现有的光刻方法通常在高真空下操作或依赖于基于掩模的转移方法。

此外，在今天的信息时代，信息的形式纷繁多样，信息的记录存储方式也随之不断改进。然而，受限于信息存储的介质，当前的信息存储器主要用于存储物理信息，而不适合存储随时间变化的带有活性(bio-active)的生物信息(biology-based information)。

丝素蛋白也是一种生物兼容性良好、易于掺杂功能化、并且易于纳米加工的生物材料，将丝素蛋白用作信息存储的媒质，不仅可以实现物理信息的存储(即通过表面纳米结构存储编码化的数据)；未来还可以通过生命体与丝素蛋白之间的交互作用，存储、解析生命体的信息。

但是如何利用丝素蛋白存储信息是本领域技术人所亟需解决的。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于生物蛋白的信息存储方法，能够存储生物信息，能够原位“写入”和“读取”数字化信息，能够实现数字化信息的重复写入或擦除，同时能够耐受高温、高湿度、辐照、磁场等恶劣条件。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于生物蛋白的信息存储方法，包括以下步骤：

S1.制备掺杂或未掺杂功能基团的生物蛋白膜；

S2.对待存储信息进行编码；

S3.将编码后的信息以及功能基团中的信息存储于所述生物蛋白膜中。

进一步地，步骤S1包括以下步骤：

S11.在基底上蒸发一层金属材料；

S12.在蒸发有所述金属材料的基底上旋涂一层生物蛋白溶液，形成生物蛋白膜。

进一步地，所述基底为Si、GaAs、AlN、Al₂O₃、ITO、SiO₂、SiN、玻璃材料中的一种；

所述生物蛋白为丝素蛋白、丝胶蛋白、蛛丝蛋白、鹿角蛋白、蛋清蛋白、胶原蛋白中的一种。

进一步地，所述生物蛋白溶液中可预先掺有功能基团，所述功能基团为生物标记物、DNA、量子点、抗生素、纳米颗粒、生长因子、蛋白酶、抗体中的一种或几种。

进一步地，所述生物蛋白膜中掺入生物标记物、DNA后，能够储存生物相关信息。

进一步地，所述生物蛋白膜中掺入抗生素后，能够抗菌。

进一步地，所述生物蛋白膜中掺入蛋白酶后，存储的信息能够可控降解。

进一步地，步骤S2包括：

将待存储信息按照预设编码形式进行编码。

进一步地，步骤S3包括以下步骤：

S31.采用预设功率的激光源辐射原子力显微镜的针尖，所述激光源辐射频率与所述生物蛋白膜的吸收光谱相对应；

S32.移动所述生物蛋白膜，在所述生物蛋白膜上直写编码后的信息对应的点阵结构。

进一步地，在步骤S32之后，所述方法还包括：

对存储于所述生物蛋白膜中的信息进行解码，读取存储于所述生物蛋白膜中的信息。

进一步地，所述对存储于所述生物蛋白膜中的信息进行解码，读取存储于所述生物蛋白膜中的信息包括：

采用原子力显微镜扫描所述点阵结构，对所述点阵结构中的信息进行解码，读取所述点阵结构中的信息。

进一步地，在步骤S32之后，所述方法还包括：

对存储于所述生物蛋白膜中的信息进行擦除，重写存储于所述生物蛋白膜中的信息。

进一步地，所述对存储于所述生物蛋白膜中的信息进行擦除，重写存储于所述生物蛋白膜中的信息包括：

采用小于或大于所述预设功率的红外激光源辐射原子力显微镜的针尖，对所述点阵结构进行消除，

采用所述预设功率的红外激光源辐射原子力显微镜的针尖，重写所述点阵结构。

由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种基于生物蛋白的信息存储方法，能够存储生物信息，能够原位“写入”和“读取”数字化信息，能够实现数字化信息的重复写入或擦除，同时能够耐受高温、高湿度、辐照、磁场等恶劣条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例提供的基于生物蛋白的信息存储方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的步骤S1的流程图；

图3是本发明实施例提供的步骤S3的流程图；

图4是本发明实施例一提供的点阵结构的示意图；

图5是本发明实施例一提供的点阵结构的局部示意图；

图6是本发明实施例二提供的点阵结构的示意图；

图7是本发明实施例二提供的已经消除处理的点阵结构的示意图。

图8是本发明实施例提供的掺入生物标记物和DNA的生物蛋白膜归一化活性的对比图；

图9是本发明实施例提供的掺入生物标记物和DNA的生物蛋白膜信息数量的对比图；

图10是本发明实施例提供的掺入抗生素的生物蛋白膜抗菌性能的对比图。

图11是本发明实施例提供的掺入蛋白酶的生物蛋白膜降解性能的对比图；

图12是本发明实施例提供的生物蛋白膜的其他性能对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本实施例一提供了一种基于生物蛋白的信息存储方法，结合图1、图2和图3所示，包括以下步骤：

S1.制备掺杂或未掺杂功能基团的生物蛋白膜；

S2.对待存储信息进行编码；

S3.将编码后的信息以及功能基团中的信息存储于所述生物蛋白膜中。

具体地，步骤S1包括以下步骤：

S11.在基底上蒸发一层金属材料；

S12.在蒸发有所述金属材料的基底上旋涂一层生物蛋白溶液，形成生物蛋白膜。

进一步地，步骤S11中所述金属材料为Au、Ag、Al、Pt、Ti、Cu、Cr、TiW中的一种。

优选地，所述金属材料为Cr或Au，其中，所述Cr和Au厚度均为10nm或100nm。

进一步地，步骤S12中旋涂的所述生物蛋白溶液的浓度范围为1wt％-30wt％，旋涂的转速为500r/min-8000r/min。

优选地，所述生物蛋白溶液的浓度7wt％，旋涂的转速为2500r/min。

进一步地，步骤S12中所述生物蛋白膜的厚度范围为10nm-100um。

优选地，所述生物蛋白膜的厚度为100nm。

具体地，所述基底为Si、GaAs、AlN、Al₂O₃、ITO、SiO₂、SiN、玻璃材料中的一种；

所述生物蛋白为丝素蛋白、丝胶蛋白、蛛丝蛋白、鹿角蛋白、蛋清蛋白、胶原蛋白中的一种。

优选地，所述基底为Si片，所述生物蛋白为丝素蛋白。

一些实施例中，也可以咋基底上不蒸发一层金属材料，制备出生物蛋白膜。

进一步地，所述生物蛋白溶液中可预先掺有功能基团，所述功能基团为生物标记物、DNA、量子点、抗生素、纳米颗粒、生长因子、蛋白酶、抗体中的一种或几种，其中，所述功能基团所占生物蛋白溶液的质量体积比为0.001mg/mL-1g/mL。

如图8和9所示，所述生物蛋白膜中掺入生物标记物、DNA后，能够储存生物相关信息，所述生物相关信息包含血红蛋白A1、白蛋白A2和葡头糖A3，其中归一化活性标识为S，可以观察到，当经过1天时，血红蛋白A1、白蛋白A2和葡头糖A3三者的归一化活性一样；当经过7天时，三者的归一化活性降低，单白蛋白A2的归一化活性高于血红蛋白A1和葡头糖A3的归一化活性；当经过14天时，三者的归一化活性再次降低，但白蛋白A2的归一化活性依然高于血红蛋白A1和葡头糖A3的归一化活性。

如图10所示，所述生物蛋白膜中掺入抗生素后，能够抗菌，其中，图B1为掺入抗生素后的生物蛋白膜，图B2为未掺入抗生素后的生物蛋白膜，能够看出抗菌效果明显。

如图11所示，所述生物蛋白膜中掺入蛋白酶后，存储的信息能够可控降解，其中，图D1为未掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜；图D2为掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜；图D3经过50℃水浴处理后，未掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜；图D4经过50℃水浴处理后，掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜；可以观察到，未掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜的信息数量比掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜的信息数量多，在经过50℃水浴处理后，未掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜信息保留，而掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜的信息消除了。

具体地，步骤S2包括：

将待存储信息按照预设编码形式进行编码，其中，所述预设编码形式为二进制形式。

进一步地，选取一张待存储的图片，通过Winhex软件获得其在计算机里的二进制存储信息。

具体地，步骤S3包括以下步骤：

S31.采用预设功率的激光源辐射原子力显微镜的针尖，所述激光源辐射频率与所述生物蛋白膜的吸收光谱相对应；

S32.移动所述生物蛋白膜，在所述生物蛋白膜上直写编码后的信息对应的点阵结构。

进一步地，步骤S31中所述激光源辐射的激光瞬时功率范围为0.01mW-100W。

优选地，所述激光源辐射的激光瞬时功率为300mW，同时所述激光源辐射的激光波长为6.06μm。

进一步地，采用预设功率的激光源辐射原子力显微镜的针尖，主要用于引起原子力显微镜针尖下方的生物蛋白形貌发生变化，这种变化趋势是由平整变为凸起点。

进一步地，步骤S31中所述生物蛋白膜的吸收光谱包含两种吸收峰，一种吸收峰是未交联的丝素蛋白吸收峰，其在1650cm^-1处；另一种吸收峰是交联的丝素蛋白吸收峰，其在1625cm^-1处。

进一步地，所述激光源辐射频率与所述生物蛋白膜的吸收光谱可相对应也可不相对应。

进一步地，步骤S31中所述原子力显微镜处于轻敲模式。

进一步地，步骤S32中移动所述生物蛋白膜的速率为10nm/ms-10μm/ms。

结合图4和图5所示，步骤S32中在所述点阵结构内规定所述生物蛋白膜上的凸起点为“1”，非凸起点为“0”，与步骤S2中所述预设编码形式相对应。

优选地，以100nm为间隔周期，设置所述点阵结构中的所述生物蛋白膜上的凸起点和非凸起点。

具体地，在步骤S32之后，所述方法还包括：

对存储于所述生物蛋白膜中的信息进行解码，读取存储于所述生物蛋白膜中的信息。

进一步地，所述对存储于所述生物蛋白膜中的信息进行解码，读取存储于所述生物蛋白膜中的信息包括：

采用原子力显微镜扫描所述点阵结构，对所述点阵结构中的信息进行解码，读取所述点阵结构中的信息，其中，也以100nm为间隔周期，对原子力显微镜扫描后的所述点阵结构中所述生物蛋白膜上的凸起点和非凸起点进行设置，进而读取所述点阵结构中的信息。

如图12所示，可以观察到，基于生物蛋白的信息存储方法，能够耐受高温、高湿度、辐照、磁场等恶劣条件，其中，BP为处理前的曲线，AP为处理后的曲线。

本实施例一提供了一种基于生物蛋白的信息存储方法，能够存储生物信息，能够原位“写入”和“读取”数字化信息。

实施例二

本实施例二提供了一种基于生物蛋白的信息存储方法，结合图1、图2和图3所示，包括以下步骤：

S1.制备掺杂或未掺杂功能基团的生物蛋白膜；

S2.对待存储信息进行编码；

S3.将编码后的信息以及功能基团中的信息存储于所述生物蛋白膜中。

具体地，步骤S1包括以下步骤：

S11.在基底上蒸发一层金属材料；

S12.在蒸发有所述金属材料的基底上旋涂一层生物蛋白溶液，形成生物蛋白膜。

进一步地，步骤S11中所述金属材料为Au、Ag、Al、Pt、Ti、Cu、Cr、TiW中的一种。

优选地，所述金属材料为Cr或Au，其中，所述Cr和Au厚度均为10nm或100nm。

进一步地，步骤S12中旋涂的所述生物蛋白溶液的浓度范围为1wt％-30wt％，旋涂的转速为500r/min-8000r/min。

优选地，所述生物蛋白溶液的浓度7wt％，旋涂的转速为2500r/min。

进一步地，步骤S12中所述生物蛋白膜的厚度范围为10nm-100um。

优选地，所述生物蛋白膜的厚度为100nm。

具体地，所述基底为Si、GaAs、AlN、Al₂O₃、ITO、SiO₂、SiN、玻璃材料中的一种；

所述生物蛋白为丝素蛋白、丝胶蛋白、蛛丝蛋白、鹿角蛋白、蛋清蛋白、胶原蛋白中的一种。

优选地，所述基底为Si片，所述生物蛋白为丝素蛋白。

一些实施例中，也可以咋基底上不蒸发一层金属材料，制备出生物蛋白膜。

进一步地，所述生物蛋白溶液中可预先掺有功能基团，所述功能基团为生物标记物、DNA、量子点、抗生素、纳米颗粒、生长因子、蛋白酶、抗体中的一种或几种，其中，所述功能基团所占生物蛋白溶液的质量体积比为0.001mg/mL-1g/mL。

如图8和9所示，所述生物蛋白膜中掺入生物标记物、DNA后，能够储存生物相关信息，所述生物相关信息包含血红蛋白A1、白蛋白A2和葡头糖A3，其中归一化活性标识为S，可以观察到，当经过1天时，血红蛋白A1、白蛋白A2和葡头糖A3三者的归一化活性一样；当经过7天时，三者的归一化活性降低，单白蛋白A2的归一化活性高于血红蛋白A1和葡头糖A3的归一化活性；当经过14天时，三者的归一化活性再次降低，但白蛋白A2的归一化活性依然高于血红蛋白A1和葡头糖A3的归一化活性。

如图10所示，所述生物蛋白膜中掺入抗生素后，能够抗菌，其中，图B1为掺入抗生素后的生物蛋白膜，图B2为未掺入抗生素后的生物蛋白膜，能够看出抗菌效果明显。

如图11所示，所述生物蛋白膜中掺入蛋白酶后，存储的信息能够可控降解，其中，图D1为未掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜；图D2为掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜；图D3经过50℃水浴处理后，未掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜；图D4经过50℃水浴处理后，掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜；可以观察到，未掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜的信息数量比掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜的信息数量多，在经过50℃水浴处理后，未掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜信息保留，而掺木瓜蛋白酶的生物蛋白膜的信息消除了。

具体地，步骤S2包括：

将待存储信息按照预设编码形式进行编码，其中，所述预设编码形式为二进制形式。

进一步地，选取一张待存储的图片，通过Winhex软件获得其在计算机里的二进制存储信息。

具体地，步骤S3包括以下步骤：

S31.采用预设功率的激光源辐射原子力显微镜的针尖，所述激光源辐射频率与所述生物蛋白膜的吸收光谱相对应；

S32.移动所述生物蛋白膜，在所述生物蛋白膜上直写编码后的信息对应的点阵结构。

进一步地，步骤S31中所述激光源辐射的激光瞬时功率范围为0.01mW-100W。

优选地，所述激光源辐射的激光瞬时功率为300mW，同时所述激光源辐射的激光波长为6.06μm。

进一步地，采用预设功率的激光源辐射原子力显微镜的针尖，主要用于引起原子力显微镜针尖下方的生物蛋白形貌发生变化，这种变化趋势是由平整变为凸起点。

进一步地，步骤S31中所述生物蛋白膜的吸收光谱包含两种吸收峰，一种吸收峰是未交联的丝素蛋白吸收峰，其在1650cm^-1处；另一种吸收峰是交联的丝素蛋白吸收峰，其在1625cm^-1处。

进一步地，所述激光源辐射频率与所述生物蛋白膜的吸收光谱可相对应也可不相对应。

进一步地，步骤S31中所述原子力显微镜处于轻敲模式。

进一步地，步骤S32中移动所述生物蛋白膜的速率为10nm/ms-10μm/ms。

进一步地，步骤S32中在所述点阵结构内规定所述生物蛋白膜上的凸起点为“1”，非凸起点为“0”，与步骤S2中所述预设编码形式相对应。

优选地，以100nm为间隔周期，设置所述点阵结构中的所述生物蛋白膜上的凸起点和非凸起点，如图6所示，分两排写入16个点，编码分别为“11111111”和“11111111”。

具体地，在步骤S32之后，所述方法还包括：

对存储于所述生物蛋白膜中的信息进行擦除，重写存储于所述生物蛋白膜中的信息。

进一步地，所述对存储于所述生物蛋白膜中的信息进行擦除，重写存储于所述生物蛋白膜中的信息包括：

采用小于或大于所述预设功率的红外激光源辐射原子力显微镜的针尖，对所述点阵结构进行消除，

采用所述预设功率的红外激光源辐射原子力显微镜的针尖，重写所述点阵结构。

进一步地，所述预设功率由小变大时，所述点阵结构中由凸起点变为凹坑，反之亦然。

优选地，如图7所示，查询得到字母“U”和“T”的ASCII编码分别为“01010101”和“01010100”。加大激光源辐射的瞬时功率至1W，将对所述点阵结构进行消除相应位置的点擦除，即由“1”变为“0”，得到“U”和“T”的ASCII编码“01010101”和“01010100”，实现消除。

进一步地，在对上述已经消除的所述点阵结构以100nm为间隔周期，对原子力显微镜扫描后的所述点阵结构中所述生物蛋白膜上的凸起点和非凸起点进行设置，进而读取所述点阵结构中的信息。

如图12所示，可以观察到，基于生物蛋白的信息存储方法，能够耐受高温、高湿度、辐照、磁场等恶劣条件，其中，BP为处理前的曲线，AP为处理后的曲线。

本实施例二提供了一种基于生物蛋白的信息存储方法，能够实现数字化信息的重复写入或擦除。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。