[发明专利]基于菁染料和金属离子相互作用的分子逻辑门构建方法

说明书

本发明公开了一种基于菁染料和金属离子相互作用的分子逻辑门构建方法，包括：取菁染料溶液为模板，以不同pH的Tris‑HCl缓冲溶液和金属离子溶液作为平行的两路输入信号，以菁染料H‑聚集体在510nm‑520nm之间的吸光度或J‑聚集体在650nm‑665nm之间的吸光度的归一化结果为输出信号，设定阈值为0.03‑0.3，当归一化结果大于阈值时输出为1，当归一化结果小于阈值时，输出为0。以此构建了“或”门、“或非”门、“禁止”门等基本布尔逻辑门。本方案构建的分子逻辑门电路性能好，灵敏度高，开关比大，较容易区分，阈值能达到0.3以下，输出信号易检测，并且检测仪器依赖性小，用吸收光谱仪就可以实现。

技术领域

本发明属于分子计算机技术领域，具体涉及一种基于菁染料和金属离子相互作用的分子逻辑门构建方法。

背景技术

逻辑门是构建计算机的基础，也是数字逻辑电路的基本元件。简单的逻辑门可由晶体管组成，这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或者低电平的信号。高、低电平可以分别代表二进制当中的1和0，从而实现逻辑运算。逻辑操作遵循二进制布尔逻辑规则的逻辑门被称为布尔逻辑门。常见的逻辑门大体上可分为两类。一种是单输入逻辑门(如“是”门和“非”门)，另一种是多输入逻辑门(如“与”门、“或”门、“异或”门等)。

基于分子水平的逻辑操作构建的“门”被称为分子逻辑门。与数字电路中的逻辑门类似，像利用电子运动的硅处理器一样，去创造可以利用分子的内在多样性完成计算功能的微型系统，用分子来分别描述逻辑门的输入和输出信号，进而实现分子水平上的逻辑操作。分子逻辑门中的分子能对外界刺激有所响应，并且分子逻辑门也遵循布尔逻辑规则。

电子计算机的硅导体集成电路密集到一定程度，就会出现过热和交叉干扰等问题。分子逻辑门有可能克服传统数字电路的过热和交叉干扰问题，从而缩小电子传导线宽，缩小计算机体积，降低成本和功耗并提高运算速度，并且分子逻辑门利用分子，如DNA、金属离子、蛋白质等进行逻辑操作，不仅缩小了逻辑器件的体积，还有可能用于生物医疗诊断中。其次，分子逻辑门输入型号可选类型多，可以是能与染料有作用的各种金属阳离子，如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Tb³⁺等，也可以是H⁺和OH⁺，还可以是一些DNA、蛋白质。最后，分子逻辑门的输出信号易检测，开关比大，仪器依耐性小，只需要荧光检测器和紫外检测器就可以检测输出信号。

菁染料是一大类荧光染料分子，具有高摩尔消光系数、高荧光量子产率等优点，是一类主要的荧光标识化合物。菁染料有共轭结构，具有一定聚集能力，柔性多甲川链可调节其聚集能力，所以具有多种聚集状态。以非共价键结合的聚集体分子之间作用力弱，对外界刺激敏感，通过改变外界条件可以改变其聚集态，且各状态下，光谱性质差别明显。一般在pH大于8.0时以单体或二倍体形式存在，pH小于8.0时，以J-聚集体形式存在，在pH很低时，以H-聚集体形式存在。菁染料与Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Tb³⁺等金属离子作用时，当金属离子浓度较大时，以H-聚集体形式存在，当金属离子浓度较小时，以J-聚集体形式存在。因此基于菁染料与金属离子之间的联系，可以构建不同的分子逻辑门。

目前为止，未见有菁染料与金属离子相互作用，以各反应产物在510nm-520nm之间的最大吸收值以及在650nm-665nm之间的最大吸收值分别与所在波长范围内最大吸收值中最高值的比为输出信号的报道。

发明内容

本发明提供了一种基于菁染料和金属离子相互作用的分子逻辑门构建方法，可有效克服传统数字电路的过热和交叉干扰问题，同时还为分子诊断试剂和离子检测等技术奠定了基础。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：