基于dna调控的量子点的新型信息处理方法

基于dna调控的量子点的新型信息处理方法
【专利摘要】本发明公开一种基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法，包括：采用至少2种DNA模板分子分别与至少2种量子点前驱体溶液共同合成并修饰而获得的至少2种DNA修饰的荧光量子点；将至少2种DNA修饰后的荧光量子点在缓冲溶液中混合后，获得含多个量子点的组装体溶液；通过输入一段互补的燃料DNA序列，组装体溶液中的各个量子点进行有序地去组装；或者，输入互补的抗燃料DNA序列，释放被杂交双链保护的游离量子点使其重新进行自组装；通过步骤三加入的互补的燃料DNA序列信息或/和互补的抗燃料DNA序列信息输出相应的荧光波长信号。本发明既结合了DNA的可编程性与量子点的优异荧光性质，也实现了7种常见逻辑门，以及由逻辑门串联或并联组成的其他运算方法。
【专利说明】基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型信息传输方法，尤其涉及一种基于DNA调控的量子点的新型 信息处理方法，属于化学、纳米材料等领域。

【背景技术】
[0002] 量子点（quantum dots，QDs)是一种尺度小于或者近似激子波尔粒径的半导体纳 米晶体。相比于传统的有机分子染料，其具有独特且优异的光学性质，比如激发谱宽且连 续分布，发射波长可调，荧光量子产率高，荧光寿命长，抗光漂白性强等，因而在生物标记成 像、光电子器件，光伏太阳能材料等领域具有广泛的应用前景。量子点的荧光发射波长可 以通过粒径的大小进行调节，粒径越大，发射波长也越大；也可以通过掺杂其他不同带隙的 元素进行调节，如掺杂汞离子（Hg2+)和镉离子（Cd2+)后分别获得的锌汞硒（ZnHgSe)和锌 镉硒（ZnCdSe)量子点的荧光发射波长较之于原有的硒化锌（ZnSe)量子点会发生显著地变 化；而且量子点的吸收和激发波长宽，粒径又在10 nm以内，使得不同发射波长的量子点之 间能够发生高效的荧光共振能量转移效应。
[0003] DNA分子是遗传信息的重要载体，其由于Watson-Crick碱基互补配对原则而具有 可编程性；以"立足点" toe-hold介导的DNA链取代反应，可以实现DNA双链与单链之间有 序的取代反应，形成新的双链和单链DNA。以含有磷硫键（PS)和磷氧键（P0)两段序列的 DNA作为模板分子来合成量子点的方法，不仅能够简单而直接地对量子点表面进行DNA共 价修饰，还能够通过调节PS段的长度以及量子点的粒径大小来精确控制单个量子点表面 所连接的DNA分子的数量，同时外部的P0段处于自由伸展状态，保持着DNA的可编程性。因 此，这种方法所获得的DNA修饰的量子点，同样具有可编程性，可以应用于生物标记成像、 有序、可控的纳米材料自组装等领域。
[0004] "现有的分子逻辑门设计方法，通常是以金属离子、小分子、酶、核酸、人工超分子 以及金纳米粒子等来构建，然而它们仅仅能够实现"与门"（AND)、"或门"（0R)、"与非门" (NAND)、"或非门"（N0R)、"异或门"（X0R)、"同或门"（XN0R)、"抑制门"（INH)等七种常见逻 辑门中的一种或者少数几种；本申请专利中介绍的分子逻辑们设计方法则通过引入DNA合 成并修饰的量子点，创新性地以多种不同荧光发射波长的量子点的动态自组装与去组装作 为基础，以DNA的序列信息作为输入信号，通过改变量子点的相互距离即之间的荧光共振 能量转移效应，构建了以量子点的不同荧光波长作为输出信号的全新分子逻辑门的设计。 这种设计方法相比于现有的分子逻辑门不仅能够构建全部七种常见的逻辑门，而且结合了 量子点的优越荧光性能，同时输入信号直接为生物分子，可以直接用于核酸相关疾病的智 能化检测等生物光学成像领域"。


【发明内容】

[0005] 本发明提供一种基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法，此基于DNA调控的 量子点的新型信息处理方法使用DNA作为模板分子来制备量子点，以获得的DNA修饰的不 同发射波长的荧光量子点作为基础，按照碱基互补配对原则，可以实现DNA修饰的量子点 有序和可控地自组装，形成量子点组装体。以DNA序列作为输入信号，借助于toe-hold介 导的DNA链取代反应的方法，可以实现量子点组装体的动态去组装和重组装，从而动态地 可逆地调控量子点组装体中各个量子点之间的距离，即调控量子点之间的荧光共振能量转 移效应，来输出相应的荧光信号。这种逻辑门设计方法，将DNA序列信息和量子点荧光信号 分别作为输入和输出信号，不仅完美地结合了 DNA的可编程性与量子点的优异荧光性质； 还可以通过DNA序列的简单设计，来实现AND、OR、NAND、NOR、XOR、XNOR、INH等七种常见逻 辑门的设计，以及由上述逻辑门串联或并联组成的其他运算方法，如由X0R和AND并联组成 的半加器Half-adder运算器等。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于DNA调控的量子点的新型 信息处理方法，包括以下步骤： 步骤一、采用至少2种作为模板的DNA模板分子分别与至少2种量子点前驱体溶液共 同合成并修饰而获得的至少2种DNA修饰的荧光量子点，所述DNA分子的磷硫键与量子点 表面结合，所述至少2种DNA修饰后的焚光量子点分别发射不同波长的焚光； 步骤二、将步骤一获得的至少2种DNA模板修饰后的荧光量子点在缓冲溶液中混合后， 按照碱基互补配对原则进行有序地自组装，获得含多个量子点的组装体溶液，此时量子点 之间处于荧光共振能量转移的有效距离内，不同发射波长的量子点之间发生高效的荧光共 振能量转移效应，使得组装体中发射波长较短的量子点的荧光转移到发射波长较长的量子 点上； 步骤三、通过输入一段互补的燃料DNA序列，借助于toe-hold介导的DNA链取代反 应，所述组装体溶液中的各个量子点进行有序地去组装，所述组装体溶液中量子点与燃料 DNA序列的摩尔浓度比例范围是1 :0. 5~1 :2. 5 ;或者，输入互补的抗燃料DNA序列，通过 toe-hold介导的DNA链取代反应，释放被杂交双链保护的游离量子点，使其参与自组装并 形成组装体或组装进入其他已有的量子点组装体中，所述组装体溶液中量子点与互补的抗 燃料DNA序列的摩尔浓度比例范围是1 :0. 5~1 :2. 5 ; 步骤四、当通过输入一段互补的燃料DNA序列，所述组装体溶液中的各个量子点进行 有序地去组装后，使得量子点彼此被分离，相互之间的荧光共振能量转移效应消失，从而输 出相应的荧光波长信号；当输入互补的抗燃料DNA序列，通过toe-hold介导的DNA链取代 反应，释放被杂交双链保护的游离量子点，使其参与自组装并形成组装体或组装进入其他 已有的量子点组装体中，从而发生相应的荧光共振能量转移效应，并输出相应的荧光波长 信号； 步骤五、根据逻辑运算规则，通过步骤三加入的互补的燃料DNA序列信息或/和互补的 抗燃料DNA序列信息输出相应的量子点荧光波长信号。
[0007] 上述技术方案中进一步的改进技术方案如下： 1、上述方案中，所述步骤二中缓冲溶液中可以含有浓度范围为1~25 mM的二价金属离 子；反应时间为0. 5~24小时。
[0008] 2、上述方案中，所述缓冲溶液pH为7. 0~9. 0。
[0009] 3、上述方案中，还包括以下步骤：所述DNA模板分子中的磷氧段序列自由伸出，用 于碱基的互补配对及量子点的自组装和去组装等。
[0010] 4、上述方案中，还包括以下步骤：DNA模板分子中的PS段序列用来与量子点表面 结合，作为配体调控量子点的生长，并起到修饰量子点的作用；通过调节PS段序列长度和 量子点的粒径大小，可以精确控制合成的量子点上DNA分子的数量，从而可以控制量子点 组装体的形态和结构。
[0011] 4、上述方案中，所述DNA模板分子中的磷硫段序列用来与量子点表面结合，作为 配体调控量子点的生长，并起到修饰量子点的作用；通过调节磷硫段序列长度和量子点的 粒径大小，可以控制合成的量子点上DNA分子的数量。
[0012] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点： 本发明基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法，其以DNA序列作为输入信号，以量 子点荧光作为输出信号。通过输入不同的DNA序列信息，能够动态地调控量子点的自组装 和去组装行为，以此来改变量子点彼此间的距离，即相互之间的荧光共振能量转移效应，从 而输出相应波长的量子点的荧光信号，实现了 AND、OR、NAND、NOR、XOR、XNOR、INH等七种常 见逻辑门的设计，以及由上述逻辑门串联或并联组成的其他运算方法，如XOR和AND并联组 成的half-adder运算器等。上述逻辑门设计方法的主要内容包括首先以DNA作为模板分 子合成出多种不同发射波长的荧光量子点，然后将这些修饰了 DNA的量子点按照碱基互补 配对原则进行有序地自组装，获得含多个量子点的组装体，此时量子点之间处于荧光共振 能量转移的有效距离内，不同发射波长的量子点之间可以发生高效的荧光共振能量转移效 应，使得组装体中发射波长较短的量子点的荧光高效地转移到发射波长较长的量子点上； 通过输入互补的燃料DNA( fuel DNA)序列，借助于toe-hold介导的DNA链取代反应，可以使 组装体中单个量子点有序地去组装，量子点彼此被分离，相互之间的荧光共振能量转移效 应消失，从而使得游离量子点的荧光信号获得恢复；继续输入互补的抗燃料DNA( anti-fuel DNA)序列，同样借助于toe-hold介导的DNA链取代反应，可以将游离的量子点上互补的燃 料DNA取代掉，量子点去保护并重新自组装进入组装体中，此时量子点之间的距离又处于 荧光共振能量转移的有效距离内，并重新发生高效的荧光共振能量转移效应，组装体中发 射波长较短的量子点的荧光重新转移到发射波长较长的量子点上，以此实现DNA调控的量 子点的动态自组装行为，此设计方法这种逻辑门设计方法，将DNA序列信息和量子点荧光 信号分别作为输入和输出信号，不仅完美地结合了 DNA的可编程性与量子点的优异荧光性 质；还可以通过DNA序列的简单设计，来实现八冊、(《、隱冊、順?、乂(《3順?和1順等七种常 见逻辑门的设计，以及由上述逻辑门串联或并联组成的其他运算方法，如由X0R和AND并联 组成的Half-adder运算器等。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 附图1为一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法的操 作示意图； 附图2为以DNA 1、2和3作为模板分子分别合成的ZnHgSe、CdTe和ZnCdSe红绿蓝三 种量子点的荧光光谱图，其波长分别为460 nm、550 nm和700 nm，且发射峰没有任何重叠， 能够完全分开； 附图3为以DNA1、2和3作为模板托子分别合成的ZnHgSe、CdTe和ZnCdSe红绿蓝三种 量子点的紫外吸收光谱图，对比图1可知，蓝色量子点的荧光光谱区间与绿色和红色量子 点的吸收光谱区间有效重叠，即蓝色量子点的荧光可以通过荧光共振能量转移高效地转移 到绿色或者红色量子点上；同时绿色量子点的荧光光谱区间与红色量子点的吸收光谱区间 也是完全重叠，即绿色量子点的荧光可以通过荧光共振能量转移高效地转移到红色量子点 上； 附图4为左图：以DNA 1和2作为模板托子分别合成的ZnCdSe、CdTe蓝绿两种量子点 与DNA T互补配对后形成的量子点二聚体组装体的透射电镜图，说明蓝绿两种量子点能够 高效地组装成均一的二聚体；右图：以DNA 1，2和3分别作为模板托子分别合成的ZnHgSe、 CdTe和ZnCdSe红绿蓝三种量子点与DNA T互补配对后形成的量子点三聚体组装体的透射 电镜图，说明红绿蓝三种量子点能够高效地组装成均一的三聚体组。左右图标尺均为50 nm ； 附图5为以DNA 1、2和3作为模板托子分别合成的ZnHgSe、CdTe和ZnCdSe红绿蓝三 种量子点与DNA T组装形成的量子点三聚体组装体（RGB)经DNA a/a'和c/c'分别取代反 应后去组装和重新组装的荧光光谱图，说明红绿蓝量子点组装的动态性和可逆性；上图为 加入DNA a/a'后的去组装和重新组装的荧光光谱图，说明绿色量子点与红色量子点之间可 以发生高效的荧光共振能量转移效应；下图为加入DNA c/c'后的去组装和重新组装的荧光 光谱图，说明蓝色量子点与绿色量子点之间可以发生高效的荧光共振能量转移效应； 附图6为AND逻辑门的设计示意图及输入输出图表，绿色荧光信号只在同时输入信号 DNA序列a和b后才输出，说明可以成功操作AND逻辑门；左上图为逻辑门输入信号与输出 信号列表，左下图为输出荧光信号强度，右图为逻辑门操作示意图； 附图7为NAND逻辑门的设计示意图及输入输出图表，蓝色荧光信号只在同时输入信 号DNA序列a和b后才不输出，说明可以成功操作NAND逻辑门；左上图为逻辑门输入信号 与输出信号列表，左下图为输出荧光信号强度，右图为逻辑门操作示意图； 附图8为OR逻辑门的设计示意图及输入输出图表，蓝色荧光信号只在同时不输入信 号DNA序列a和b后才不输出，说明可以成功操作OR逻辑门；左上图为逻辑门输入信号与 输出信号列表，左下图为输出荧光信号强度，右图为逻辑门操作示意图； 附图9为NOR逻辑门的设计示意图及输入输出图表，蓝色荧光信号只在同时不输入信 号DNA序列a和b后才输出，说明可以成功操作NOR逻辑门；左上图为逻辑门输入信号与输 出信号列表，左下图为输出荧光信号强度，右图为逻辑门操作示意图； 附图10为X0R逻辑门的设计示意图及输入输出图表，蓝色荧光信号只在同时不输入 或同时输入信号DNA序列a和b后才不输出，说明可以成功操作X0R逻辑门；左上图为逻辑 门输入信号与输出信号列表，左下图为输出荧光信号强度，右图为逻辑门操作示意图； 附图11为XN0R逻辑门的设计示意图及输入输出图表，蓝色荧光信号只在同时不输入 或同时输入信号DNA序列a和b后才输出，说明可以成功操作XN0R逻辑门；左上图为逻辑 门输入信号与输出信号列表，左下图为输出荧光信号强度，右图为逻辑门操作示意图； 附图12为INH逻辑门的设计示意图及输入输出图表，蓝色荧光信号只在单独输入信 号DNA序列a后才输出，说明可以成功操作INH逻辑门；左上图为逻辑门输入信号与输出信 号列表，左下图为输出荧光信号强度，右图为逻辑门操作示意图； 附图13为Half-adder运算器设计示意图及输入输出图表，同时输入a/b时只输出绿 色高荧光输出，仅输入a/b中一种时才输出蓝色高荧光，a/b都不输入时蓝色和绿色均无高 荧光输出；左上图为运算器输入信号与输出信号列表，左下图为输出荧光信号强度，中图为 运算器操作示意图，右上图为Half-adder逻辑示意图。

【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 具体实施例1 : 一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法（AND逻辑门设计） 采用DNA 1、2和3作为模板分子分别合成460 nm ZnCdSe、550 nm CdTe和700 nm ZnHgSe、蓝绿红三种量子点； 将上述三种量子点与DNA T按照摩尔比例1:1在纯水中互补配对，获得量子点的组装 体(如图6);其中三种量子点浓度是100 nM ;反应温度是37 °C，反应时间是2小时；此时 量子点组装体中蓝色和绿色量子点的荧光因为荧光共振能量转移效应，转移到红色量子点 上； 按照与量子点摩尔浓度比例1:1分别输入燃料DNA a/b序列信号组(如图6)，其中1代 表有输入，〇代表无输入；反应温度是37 °C，反应时间是2小时； 当单独输入燃料DNA a时，DNA 1偶联的蓝色量子点从组装体中去组装，输出蓝色高荧 光；当单独输入燃料DNA b时，因为组装体中空间位阻的影响，DNA 2偶联的绿色量子点无 法从组装体中去组装，不输出绿色高荧光；只有同时输入燃料DNA a和b时，蓝色和绿色量 子点才从组装体中同时去组装，输出绿色高荧光； 以绿色荧光作为输出信号，1代表有高荧光输出，0代表低荧光输出；通过检测绿色荧 光是否有高荧光输出，来判定AND逻辑门是否构建成功。
[0015] 具体实施例2 : 一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法（NAND逻辑门设 计） 米用DNA 1和2作为模板分子分别合成500 nm ZnSe/ZnS、580 nm CdTe蓝绿两种量子 占. 将上述两种量子点分别与燃料DNA a和b按照摩尔比例1:1在Tris-HCl (pH=7. 6)缓 冲溶液(其中含有10 mM金属镁离子)中互补配对，量子点的浓度为10 nM，同时加入相同浓 度的DNA T，获得量子点的复合物（如图7);反应温度是20 °C，反应时间是10小时；此时 复合物中的量子点的荧光因为没有荧光共振能量转移效应，而同时发出绿色和蓝色高亮荧 光； 按照与量子点摩尔浓度比例1:1. 5分别输入抗燃料DNA a' /V序列信号组(如图7)， 其中1代表有输入，〇代表无输入；反应温度是20 °C，反应时间是10小时； 当单独输入抗燃料DNA a'时，DNA 1偶联的蓝色量子点从燃料DNA a中去保护，并自 组装到DNA T上，此时依然输出蓝色和绿色高亮荧光；当单独输入抗燃料DNA b'时，DNA 2 偶联的绿色量子点从燃料DNA b中去保护，并自组装到DNA T上，此时依然输出蓝色和绿色 高亮荧光；只有同时输入抗燃料DNA a'和b'时，蓝色和绿色量子点才同时去保护，并同时 组装到DNA T上，形成组装体，此时由于荧光共振能量转移效应，蓝色荧光转移到绿色荧光 量子点上，而只输出绿色高荧光，不输出蓝色高荧光； 以蓝色荧光作为输出信号，1代表有高荧光输出，0代表低荧光输出；通过检测蓝色荧 光是否有高荧光输出，来判定NAND逻辑门是否构建成功。
[0016] 具体实施例3: 一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法（OR逻辑门设计） 采用DNA 1和2作为模板分子分别合成440 nm ZnCdSe、560 nm CdSe/ZnS蓝绿两种种 量子点； 将上述两种量子点与DNA T按照摩尔比例1:1在PBS (pH=8. 0)缓冲溶液(其中含有25 mM金属镁离子）中互补配对，获得量子点的组装体(如图8);其中两种量子点浓度均为200 nM ;反应温度是0 °C，反应时间是24小时；此时量子点组装体中蓝色量子点的荧光因为荧 光共振能量转移效应，转移到绿色量子点上； 按照与量子点摩尔浓度比例1:2分别输入燃料DNA a/b序列信号组(如图8)，其中1代 表有输入，〇代表无输入；反应温度是〇 °c，反应时间是24小时； 当单独输入燃料DNA a时，DNA 1偶联的蓝色量子点从组装体中去组装，荧光共振能量 转移效应消失，输出蓝色和绿色高荧光；当单独输入燃料DNA b时，DNA 2偶联的绿色量子 点从组装体中去组装，荧光共振能量转移效应消失，输出蓝色和绿色高荧光；同时输入燃料 DNA a和b时，蓝色和绿色量子点同时从组装体中同时去组装，输出蓝色和绿色高荧光； 以蓝色荧光作为输出信号，1代表有高荧光输出，0代表低荧光输出；通过检测蓝色荧 光是否有高荧光输出，来判定OR逻辑门是否构建成功。
[0017] 具体实施例4: 一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法（NOR逻辑门设计） 采用DNA 1、2和3作为模板分子分别合成540 nm CdTe、460 nm ZnCdSe和600 nm CdTe/CdS绿蓝红三种量子点； 将上述绿色和红色两种量子点分别与燃料DNA a和c按照摩尔比例1:1在NH4HC03 (pH=8. 5)缓冲溶液(其中含有1 mM金属镁离子）中互补配对；同时将蓝色量子点与DNA T 按照摩尔比例1:1互补配对，获得量子点的复合物(如图9)，其中三种量子点浓度均为500 nM;反应温度是10 °C，反应时间是12小时；此时复合物中的量子点的荧光因为没有荧光共 振能量转移效应，而同时发出绿色、红色和蓝色高荧光； 按照与量子点摩尔浓度比例1:0. 5分别输入抗燃料DNA a' /V序列信号组(如图9)， 其中1代表有输入，〇代表无输入；反应温度是10 °C，反应时间是12小时； 当单独输入抗燃料DNA a'时，DNA1偶联的绿色量子点从燃料DNA a中去保护，并自组 装到DNA T上，此时蓝色量子点与绿色量子点发生荧光共振转移效应而导致蓝色量子点不 输出高亮荧光；当单独输入抗燃料DNA c'时，DNA 3偶联的红色量子点从燃料DNA c中去 保护，并自组装到DNA T上，此时蓝色量子点与红色量子点发生荧光共振转移效应而导致蓝 色量子点不输出高亮荧光；当同时输入抗燃料DNA a'和c'时，绿色和红色量子点才同时去 保护，并同时组装到DNA T上，形成组装体，此时由于荧光共振能量转移效应，蓝色荧光转移 到绿色和红色荧光量子点上，而不输出蓝色高荧光； 以蓝色荧光作为输出信号，1代表有高荧光输出，0代表低荧光输出；通过检测蓝色荧 光是否有高荧光输出，来判定NOR逻辑门是否构建成功。
[0018] 具体实施例5 : 一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法（XOR逻辑门设计） 采用DNA 1和2作为模板分子分别合成450 nm ZnCdSe、520 nm CdTe蓝绿两种种量子 占. 将上述两种量子点与DNA T按照摩尔比例1:1在Tris-HCl (pH=9. 0)缓冲（其中含有 5 mM金属镁离子）溶液中互补配对，（如图10);同时加入相同浓度的DNA T1，获得量子点的 复合物；其中两种量子点浓度是1 mM ;反应温度是40 °C，反应时间是0. 5小时；此时量子 点复合物中蓝色量子点的荧光因为荧光共振能量转移效应，转移到绿色量子点上，只输出 绿色高荧光； 按照与量子点摩尔浓度比例1:2. 5分别输入燃料DNA al/bl序列信号组(如图10)，其 中1代表有输入，〇代表无输入；反应温度是40 °C，反应时间是0. 5小时； 当单独输入燃料DNA a时，DNA 1偶联的蓝色量子点从组装体中去组装，荧光共振能量 转移效应消失，输出蓝色和绿色高荧光；当单独输入燃料DNA b时，DNA 2偶联的绿色量子 点从组装体中去组装，荧光共振能量转移效应消失，输出蓝色和绿色高荧光；当同时输入燃 料DNA a和b时，蓝色和绿色量子点同时从组装体中同时去组装，随后又同时在DNA T1上 重新自组装，并发生荧光共振能量转移，只输出绿色高荧光； 以蓝色荧光作为输出信号，1代表有高荧光输出，0代表低荧光输出；通过检测蓝色荧 光是否有高荧光输出，来判定X0R逻辑门是否构建成功。
[0019] 具体实施例6 : 一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法（XN0R逻辑门设 计） 采用DNA 1和2作为模板分子分别合成430 nm ZnSe/ZnS、500 nm CdTe蓝绿两种种量 子点； 将上述蓝绿两种量子点分别与DNA T2和T3按照摩尔比例1:1在含有1%血清的 Tris-HCl (pH=7. 4)缓冲溶液中互补配对(如图11)，获得量子点的复合物；其中两种量子点 浓度是50 nM;反应温度是37 °C，反应时间是2. 5小时；量子点之间因为没有荧光共振能量 转移效应，而同时发出绿色和蓝色高荧光； 按照与量子点摩尔浓度比例1:1.2分别输入燃料DNA al/bl序列信号组(如图11)，其 中1代表有输入，〇代表无输入；反应温度是37 °C，反应时间是2. 5小时； 当单独输入燃料DNA al时，DNA 1偶联的蓝色量子点去保护，并与绿色量子点形成组 装体，发生荧光共振能量转移，只输出绿色高荧光；当单独输入燃料DNA bl时，DNA 2偶联 的绿色量子点去保护，并与蓝色量子点形成组装体，发生荧光共振能量转移，只输出绿色高 荧光；当同时输入燃料DNA al和bl时，蓝色和绿色量子点同时去保护，且不发生自组装，之 间无荧光共振能量转移，因此同时输出蓝色和绿色高荧光； 以蓝色荧光作为输出信号，1代表有高荧光输出，0代表低荧光输出；通过检测蓝色荧 光是否有高荧光输出，来判定XN0R逻辑门是否构建成功； 具体实施例7 : 一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法（INH逻辑门设计） 采用DNA 1、2和3作为模板分子分别合成560 nm CdSe/ZnS、480 nm ZnSe/ZnS和650 nm ZnlnS绿蓝红三种量子点； 将上述绿色和蓝色两种量子点与DNA T按照摩尔比例1:1在MOPS (pH=7. 4)缓冲溶液 中互补配对形成组装体，同时将红色量子点与燃料DNA c按照摩尔比例1:1互补配对，获得 量子点的复合物(如图12)，其中三种量子点浓度均为150 nM;反应温度是35 °C，反应时间 是1. 5小时；此时复合物中的蓝色量子点荧光因为荧光共振能量转移效应而转移到绿色量 子点上，而红色量子点的荧光没有影响，因而同时输出绿色和红色高荧光；； 按照与量子点摩尔浓度比例1:1. 8分别输入DNA c' /a序列信号组(如图12)，其中1 代表有输入，〇代表无输入；反应温度是35 °C，反应时间是1. 5小时； 当单独输入抗燃料DNA c'时，DNA 3偶联的红色量子点从去保护，并组装到蓝色与绿色 量子点的组装体上，发生荧光共振能量转移，蓝色荧光转移到绿色和红色量子点上，因而不 输出蓝色高荧光；当单独输入燃料DNA a时，DNA 1偶联的绿色量子点从组装体中去组装， 荧光共振能量转移效应消失，输出蓝色高荧光；当同时输入DNA c'和a时，DNA 1偶联的绿 色量子点从组装体中去组装，蓝绿量子点之间的荧光共振能量转移效应消失，而输出绿色 高荧光；同时DNA 3偶联的红色量子点从去保护，并与蓝色量子点形成新的组装体，之间发 生荧光能量共振转移，蓝色量子点荧光转移到红色量子点上，而不输出蓝色高荧光； 以蓝色荧光作为输出信号，1代表有高荧光输出，0代表低荧光输出；通过检测蓝色荧 光是否有高荧光输出，来判定NOR逻辑门是否构建成功； 具体实施例8 : 一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法（Half-adder运算 器设计） 采用DNA 1、2和3作为模板分子分别合成460 nm ZnSe/ZnS、550 nm CdSe/ZnS、和800 nm CdHgTe蓝绿红三种量子点；采用DNA 2作为模板分子合成800 nm CdHgTe红色量子点； 将上述以DNA 1、2和3作为模板分子合成蓝绿红三色量子点与DNA T按照摩尔比例 1:1在Tris-HCl (pH=7. 4)缓冲溶液中互补配对，其中三种量子点浓度均为150 nM ;反应温 度是30 °C，反应时间是1小时，获得量子点组装体M，同时将以DNA 1、2作为模板分子合成 的蓝红两色量子点与DNA T按照摩尔比例1:1在Tris-HCl(pH=7. 4)缓冲溶液中互补配对， 其中两种量子点浓度均为150 nM ;反应温度是30 °C，反应时间是1. 5小时，获得量子点组 装体N (如图13);此时组装体M中的蓝色量子点的荧光和绿色量子点的荧光因为荧光共振 能量转移效应而转移到红色量子点上，组装体N中的蓝色量子点的荧光因为荧光共振能量 转移效应而转移到红色量子点上，因而只发出红色荧光；将组装体M和组装体N以浓度比例 1:1混合，各自浓度保持为75 nM，并向混合体系中加入150 nM的DNA T1 ; 按照与量子点摩尔浓度比例1:0. 8分别输入DNA a/b序列信号组(如图13)，其中1代 表有输入，〇代表无输入；反应温度是30 °C，反应时间是1小时； 当单独输入燃料DNA a时，DNA 1偶联的蓝色量子点从组装体M和N中同时去组装，荧 光共振能量转移效应消失，因而体系输出蓝色和红色高荧光，而不输出绿色高荧光；当单独 输入燃料DNA b时，DNA 2偶联的红色量子点从组装体N中去组装，因此组装体N中荧光共 振能量转移效应消失，而DNA 2偶联的绿色量子点因为空间位阻作用无法从组装体M中去 组装，因此组装体M中荧光共振能量转移效应不变，体系输出蓝色和红色高荧光，而不输出 绿色高荧光；当同时输入燃料DNA a和b时，组装体M中DNA 1偶联的蓝色量子点和DNA 2 偶联的绿色量子点同时去组装，随后又同时组装到DNA T1上，形成新的组装体，蓝色量子点 荧光由于荧光能量共振转移而转移到绿色荧光量子点上，同时组装体N中DNA 1偶联的蓝 色量子点和DNA 2偶联的红色量子点同时去组装，随后又同时组装到DNA T1上，形成新的 组装体，蓝色量子点荧光由于荧光能量共振转移而转移到红色荧光量子点上，体系输出绿 色和红色高荧光，而不输出蓝色高荧光； 以蓝色荧光和绿色荧光作为输出信号，1代表有高荧光输出，0代表低荧光输出；通过 检测是否有高荧光输出，来判定Half-adder运算器是否构建成功。
[0020] 表1为一种基于DNA调控的量子点动态自组装的新型分子逻辑门设计方法所使用 的代表性的DNA序列信息； 表1 :DNA序列表

【权利要求】
1. 一种基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一、采用至少2种作为模板的DNA模板分子分别与至少2种量子点前驱体溶液共 同合成并修饰而获得的至少2种DNA修饰的荧光量子点，所述DNA模板分子的磷硫键与量 子点表面结合，所述至少2种DNA修饰后的焚光量子点分别发射不同波长的焚光； 步骤二、将步骤一获得的至少2种DNA模板修饰后的荧光量子点在缓冲溶液中混合后， 按照碱基互补配对原则进行有序地自组装，获得含多个量子点的组装体溶液，此时量子点 之间处于荧光共振能量转移的有效距离内，不同发射波长的量子点之间发生高效的荧光共 振能量转移效应，使得组装体中发射波长较短的量子点的荧光转移到发射波长较长的量子 点上； 步骤三、通过输入一段互补的燃料DNA序列，借助于"立足点" toe-hold介导的DNA链 取代反应，所述组装体溶液中的各个量子点进行有序地去组装，所述组装体溶液中量子点 与燃料DNA序列的摩尔浓度比例范围是1 :0. 5~1 :2. 5 ;或者，输入互补的抗燃料DNA序列， 通过toe-hold介导的DNA链取代反应，释放被杂交双链保护的游离量子点，使其参与自组 装并形成组装体或组装进入其他已有的量子点组装体中，所述组装体溶液中量子点与互补 的抗燃料DNA序列的摩尔浓度比例范围是1 :0. 5~1 :2. 5,量子点浓度范围为0. 01~1 yM ; 步骤四、当通过输入一段互补的燃料DNA序列，所述组装体溶液中的各个量子点进行 有序地去组装后，使得量子点彼此被分离，相互之间的荧光共振能量转移效应消失，从而输 出相应的荧光波长信号；当输入互补的抗燃料DNA序列，通过toe-hold介导的DNA链取代 反应，释放被杂交双链保护的游离量子点，使其参与自组装并形成组装体或组装进入其他 已有的量子点组装体中，从而发生相应的荧光共振能量转移效应，并输出相应的荧光波长 信号； 步骤五、根据逻辑运算规则，通过步骤三加入的互补的燃料DNA序列信息或/和互补的 抗燃料DNA序列信息输出相应的量子点荧光波长信号。
2. 根据权利要求1所述的基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法，其特征在于： 所述步骤二中缓冲溶液中含有浓度范围为1~25 mM的二价金属离子；反应时间为0. 5~24小 时。
3. 根据权利要求1所述的基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法，其特征在于： 所述缓冲溶液是碳酸氢氨、三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸、磷酸盐、3- (N-吗啡啉)丙磺酸、生 物病样液体或者是包含不同体积分数生物病样原液。
4. 根据权利要求1所述的基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法，其特征在于： 所述缓冲溶液pH为7. 0~9. 0。
5. 根据权利要求1所述的基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法，其特征在于： 所述DNA模板分子中的磷氧段序列自由伸出，用于碱基的互补配对及量子点的自组装和去 组装等。
6. 根据权利要求1所述的基于DNA调控的量子点的新型信息处理方法，其特征在于： 所述DNA模板分子中的磷硫段序列用来与量子点表面结合，作为配体调控量子点的生长， 并起到修饰量子点的作用；通过调节磷硫段序列长度和量子点的粒径大小，可以控制合成 的量子点上DNA分子的数量。
【文档编号】C09K11/02GK104449661SQ201410603958
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】马楠, 何学文 申请人:苏州大学