基于菁染料和金属离子相互作用构建半加器和半减器的方法与流程

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构建半加器和半减器的方法。

背景技术：

逻辑电路是一种离散信号的传递和处理，以二进制为原理、实现数字信号逻辑运算和操作的电路。逻辑门则是数字逻辑电路的基本元件，其可由晶体管组成。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。逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算，如半加器，半减器等逻辑电路。它们是构成电子计算机核心微处理器中算术逻辑单元的基础，主要负责计算地址、索引等数据。

基于分子水平可以构建出分子逻辑电路。与数字电路中的逻辑电路类似，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电路的输入和输出信号，进而实现分子水平上的逻辑操作。

半加器是一种用于执行加法运算的数字电路部件，其功能是将两个一位二进制数相加，它具有两个输入和两个输出(分别是和、进位)，输出的进位信号代表了输入两个数相加溢出的高一位数值，其真值表如下表所示：

半减器是通常用于呈现两个二进制数字减法运算的组合逻辑电路，它同样具有两个输入和两个输出。两个输入分别是减数和被减数，而输入的是减数和被减数，输出则是差和借位，其真值表如下表所示：

现有技术中未见基于染料和离子相互作用构建半加器和半减器的报道。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于菁染料和金属离子相互作用构建半加器和半减器的方法，可有效克服传统数字电路的过热和交叉干扰问题，进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。

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：

基于菁染料和金属离子相互作用构建半加器和半减器的方法，包括：取菁染料溶液和dna双链为模板，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，在不同ph的tris-hcl缓冲溶液和金属离子的调控下，dna双链被诱导成四链体结构，菁染料通过非共价键作用力与dna四链体结构相互作用，产生光谱信号，以菁染料的紫外吸收值和/或荧光强度作为输出信号，构建半加器或半减器。

进一步地，取菁染料溶液和dna双链为模板，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，在不同ph的tris-hcl缓冲溶液和金属离子的调控下，dna双链被诱导成四链体结构，菁染料通过非共价键作用力与dna四链体结构相互作用，产生光谱信号，以菁染料j-聚集体在640-670nm之间的吸光度峰值的归一化结果作为和位输出信号，以菁染料单体在590-600nm之间的荧光强度峰值的归一化结果作为进位输出信号，设定阈值为0.03-0.3，当任一路输出信号的归一化结果大于阈值时该路输出为1，当任一路输出信号的归一化结果小于阈值时该路输出为0，构建半加器。

进一步地，取菁染料溶液和dna双链为模板，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，在不同ph的tris-hcl缓冲溶液和金属离子的调控下，dna双链被诱导成四链体结构，菁染料通过非共价键作用力与dna四链体结构相互作用，产生光谱信号，以菁染料h-聚集体

在470-480nm之间的吸光度峰值的归一化结果作为借位的输出信号，以菁染料j-聚集体在640-670nm之间的吸光度峰值的归一化结果作为差的输出信号，设定阈值为0.03-0.3，当任一路输出信号的归一化结果大于阈值时该路输出为1，当任一路输出信号的归一化结果小于阈值时该路输出为0，构建半减器。

进一步地，金属离子为k⁺。

进一步地，取菁染料溶液和dna双链为模板，以ph值为4.0-8.5的tris-hcl缓冲溶液和k⁺为两路平行输入信号，以菁染料j-聚集体在640-670nm之间的吸光度峰值的归一化结果作为和位输出信号，以菁染料单体在590-600nm之间的荧光强度峰值的归一化结果作为进位输出信号，构建半加器，其中，菁染料溶液终浓度为2×10^-6-10×10^-6mol/l，k⁺终浓度为5×10^-3-20×10^-3mol/l，dna双链终浓度为1.5×10^-6-3×10^-6mol/l，阈值为0.3。

进一步地，取菁染料溶液和dna双链为模板，以ph值为4.0-8.5的tris-hcl缓冲溶液和k⁺为两路平行输入信号，以菁染料h-聚集体在470-480nm之间的吸光度峰值的归一化结果作为借位的输出信号，以菁染料j-聚集体在640-670nm之间的吸光度峰值的归一化结果作为差的输出信号，构建半减器，其中，菁染料溶液终浓度为2×10^-6-10×10^-6mol/l，k⁺终浓度为30×10^-3-60×10^-3mol/l，dna双链终浓度为1.5×10^-6-3×10^-6mol/l，阈值为0.3。

进一步地，菁染料结构如下：

其中，r1为c1-c6的烷基、苯基、烷基取代的苯基；r2、r3、r4和r5独立地选自h或c1-c6的烷基，或者r2和r3与它们所连接的碳原子一起形成五元环至七元环结构，或者r4和r5与它们所连接的碳原子一起形成五元环至七元环结构；r6和r7独立地选自c1-c6的烷基；y为卤素；x1，x2独立选自c、o、s、se、te。

进一步地，dna双链通过以下方式制得：即将富c序列的dna单链和富g序列的dna单链等体积混合，于90℃加热2-15min，再自然冷却至室温。

进一步地，富c序列的dna单链为：5′-cn1xm1cn2xm2cn3xm3cn4xm4-3′；富g序列的dna单链为：5′-ga1yb1ga2yb2ga3yb3ga4yb4-3′；其中，n1～n4代表c的个数，a1～a4代表g的个数，且n1～n4以及a1～a4分别独立地为大于2的整数，m1～m4代表x的个数，b1～b4代表y的个数，且m1～m4以及b1～b4分别独立地为0～3的整数；x表示a、t或g；y表示a、t或c。

本发明提供的一种基于菁染料和金属离子相互作用构建半加器和半减器的方法，具有以下有益效果：

(1)金属离子可以调节dna的结构，当金属离子浓度发生变化时，其调控dna结构的能力也会发生相应的变化；dna具有不同的二级结构，在不同金属离子和不同ph调控条件下，可以形成不同的二级结构，如富c序列易被诱导形成i-motif四链体结构，富g的序列则会形成g-四链体结构等；菁染料单分子通过非共价键作用力与诱导结构缔合成的超分子聚集体可以作为探针分子，特异性地识别dna的不同二级结构，产生可以检测的光谱信号，并且这种聚集体分子之间的结合能力较弱，对外界条件变化很敏感，其聚集状态会随条件的改变而发生改变。因此超分子聚集体通常具有多种相对稳定的聚集状态，不同的聚集状态有着不同的光学性质，利用常规光谱学技术就可以进行区分。

本方案构建的半加器或半减器，分子逻辑电路性能好，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/荧光检测器就可以实现，可高效灵敏、简单快速地检测出溶液中的离子浓度。

(2)本发明与电子计算机的传统半导体逻辑电路相比，能够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。

附图说明

图1为实施例1中半加器柱状图；

图2为实施例1中半减器柱状图；

图3为实施例2中半加器柱状图；

图4为实施例2中半减器柱状图。

具体实施方式

实施例1

(1)构建半加器

取四只ep管，编号1、2、3和4，分别做以下处理：

向1号管中加入30μl浓度为50×10^-6mol/l的dna双链，然后加入20μl浓度为100×10^-6mol/l的菁染料ⅰ溶液，最后加入5×10^-3mol/l，ph＝8.5的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液1；

向2号管中加入30μl浓度为50×10^-6mol/l的dna双链和10μl浓度为0.5mol/l的kcl溶液，再加入20μl浓度为100×10^-6mol/l的菁染料ⅰ溶液，最后加入5×10^-3mol/l，ph＝8.5的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液2；

向3号管中加入30μl浓度为50×10^-6mol/l的dna双链，然后加入20μl浓度为100×10^-6mol/l的菁染料ⅰ溶液，最后加入5×10^-3mol/l，ph＝4.0的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液3；

向4号管中加入30μl浓度为50×10^-6mol/l的dna双链和10μl浓度为0.5mol/l的kcl溶液，再加入20μl浓度为100×10^-6mol/l的菁染料ⅰ溶液，最后加入5×10^-3mol/l，ph＝4.0的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液4。

菁染料ⅰ结构式如下：

dna双链是通过以下方式制得的，即将富c序列的dna单链和富g序列的dna单链等体积混合，于90℃加热2-15min，再自然冷却至室温；

其中，富c序列的dna单链浓度为50×10^-6mol/l，序列为：5′-ccaccaccaccacaaccaccaccaaa-3′；

富g序列的dna单链浓度为50×10^-6mol/l，序列为5′-ggtggtggtggt-3′。

将上述4种溶液分别混匀，分别置于25℃恒温孵育箱中孵育2h，分别测定每种溶液中菁染料ⅰ的j-聚集体吸光度(640-670nm之间的吸光度峰值)，记为s1、s2、s3、s4，菁染料ⅰ的单体荧光强度(590-600nm之间的荧光强度峰值)，记为c1、c2、c3、c4，根据上述测定结果，对其进行归一化处理，即分别除以s3(四种条件下，菁染料ⅰj-聚集体出现的最大吸光度)和c4(四种条件下，菁染料ⅰ单体出现的最大荧光强度)，计算公式如下所示：

normalizedsn1＝s1/s3

normalizedsn2＝s2/s3

normalizedsn3＝s3/s3

normalizedsn4＝s4/s3

normalizedcn1＝c1/c4

normalizedcn2＝c2/c4

normalizedcn3＝c3/c4

normalizedcn4＝c4/c4

将归一化处理后的数据进行统计分析，做柱状图，结果见图1。设定阈值为0.3，归一化后的紫外吸收值中sn1和sn4都低于0.3，记为0，sn2和sn3均高于0.3，记为1。归一化后的荧光强度值中只有cn4高于0.3，记为1，cn1，cn2和cn3都低于0.3，记为0。以ph＝4.0的缓冲液作为第一路输入信号，以含有k⁺和ph＝8.5的缓冲液作为第二路输入信号，以菁染料ⅰj-聚集体吸光度sn作为和位输出信号，以菁染料ⅰ单体荧光强度cn作为进位输出信号，成功构建出一个半加器。

(2)构建半减器

取四只ep管，编号1、2、3和4，分别做以下处理：

向1号管中加入30μl浓度为50×10^-6mol/l的dna双链，然后加入20μl浓度为100×10^-6mol/l的菁染料ⅱ溶液，最后加入5×10^-3mol/l，ph＝8.5的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液1；

向2号管中加入30μl浓度为50×10^-6mol/l的dna双链和60μl浓度为0.5mol/l的kcl溶液，再加入20μl浓度为100×10^-6mol/l的菁染料ⅱ溶液，最后加入5×10^-3mol/l，ph＝8.5的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液2；

向3号管中加入30μl浓度为50×10^-6mol/l的dna双链，然后加入20μl浓度为100×10^-6mol/l的菁染料ⅱ溶液，最后加入5×10^-3mol/l，ph＝4.0的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液3；

向4号管中加入30μl浓度为50×10^-6mol/l的dna双链和60μl浓度为0.5mol/l的kcl溶液，再加入20μl浓度为100×10^-6mol/l的菁染料ⅱ溶液，最后加入5×10^-3mol/l，ph＝4.0的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液4。

菁染料ⅱ结构式如下：

dna双链是通过以下方式制得的，即将富c序列的dna单链和富g序列的dna单链等体积混合，于90℃加热2-15min，再自然冷却至室温；

其中，富c序列的dna单链浓度为50×10^-6mol/l，序列为：5′-ccaccaccaccacaa-3′；

富g序列的dna单链浓度为50×10^-6mol/l，序列为5′-gggtgggtgggtgggt-3′。

将上述4种溶液分别混匀，分别置于25℃恒温孵育箱中孵育2h，分别测定每种溶液中菁染料ⅱ的h-聚集体吸光度(470-480nm之间的吸光度峰值)，记为b1、b2、b3、b4，菁染料ⅱ的j-聚集体吸光度(640-670nm之间的吸光度峰值)，记为d1、d2、d3、d4，根据上述测定结果，对其进行归一化处理，即分别除以b2(四种条件下，菁染料ⅱh-聚集体出现的最大吸光度)和d3(四种条件下，菁染料ⅱj-聚集体出现的最大吸光度)，计算公式如下所示：

normalizedbn1＝b1/b2

normalizedbn2＝b2/b2

normalizedbn3＝b3/b2

normalizedbn4＝b4/b2

normalizeddn1＝d1/d3

normalizeddn2＝d2/d3

normalizeddn3＝d3/d3

normalizeddn4＝d4/d3

将归一化处理后的数据进行统计分析，做柱状图，结果见图2。设定阈值为0.3，归一化后在643nm处的紫外吸收值中dn1和dn4都低于0.3，记为0，dn2和dn3均高于0.3，记为1。归一化后在476nm处的紫外吸收值中只有bn2高于0.3，记为1，bn1，bn3和bn4都低于0.3，记为0。以ph＝4.0的缓冲液作为被减数的输入信号，以含有k⁺和ph＝8.5的缓冲液作为减数的输入信号，以菁染料ⅱh-聚集体吸光度bn作为借位的输出信号，以菁染料ⅱj-聚集体吸光度dn作为差的输出信号，成功构建出一个半减器。

实施例2

(1)构建半加器

取四只ep管，编号1、2、3和4，分别做以下处理：

向1号管中加入30μl浓度为100×10^-6mol/l的dna双链，然后加入20μl浓度为200×10^-6mol/l的菁染料ⅲ溶液，最后加入10×10^-3mol/l，ph＝8.5的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液1；

向2号管中加入30μl浓度为100×10^-6mol/l的dna双链和20μl浓度为1.0mol/l的kcl溶液，再加入20μl浓度为200×10^-6mol/l的菁染料ⅲ溶液，最后加入10×10^-3mol/l，ph＝8.5的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液2；

向3号管中加入30μl浓度为100×10^-6mol/l的dna双链，然后加入20μl浓度为200×10^-6mol/l的菁染料ⅲ溶液，最后加入10×10^-3mol/l，ph＝4.0的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液3；

向4号管中加入30μl浓度为100×10^-6mol/l的dna双链和20μl浓度为1.0mol/l的kcl溶液，再加入20μl浓度为200×10^-6mol/l的菁染料ⅲ溶液，最后加入10×10^-3mol/l，ph＝4.0的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液4。

菁染料ⅲ结构式如下：

dna双链是通过以下方式制得的，即将富c序列的dna单链和富g序列的dna单链等体积混合，于90℃加热2-15min，再自然冷却至室温；

其中，富c序列的dna单链浓度为100×10^-6mol/l，序列为：5′-cccacacccacacccacacaa-3′；

富g序列的dna单链浓度为100×10^-6mol/l，序列为5′-gggtgtgggtgtgggtt-3′。

将上述4种溶液分别混匀，分别置于25℃恒温孵育箱中孵育2h，分别测定每种溶液中菁染料ⅲ的j-聚集体吸光度(640-670nm之间的吸光度峰值)，记为s1、s2、s3、s4，菁染料ⅲ的单体荧光强度(590-600nm之间的荧光强度峰值)，记为c1、c2、c3、c4，根据上述测定结果，对其进行归一化处理，即分别除以s3(四种条件下，菁染料ⅲj-聚集体出现的最大吸光度)和c4(四种条件下，菁染料ⅲ单体出现的最大荧光强度)，计算公式如下所示：

normalizedsn1＝s1/s3

normalizedsn2＝s2/s3

normalizedsn3＝s3/s3

normalizedsn4＝s4/s3

normalizedcn1＝c1/c4

normalizedcn2＝c2/c4

normalizedcn3＝c3/c4

normalizedcn4＝c4/c4

将归一化处理后的数据进行统计分析，做柱状图，结果见图3。设定阈值为0.3，归一化后的紫外吸收值中sn1和sn4都低于0.3，记为0，sn2和sn3均高于0.3，记为1。归一化后的荧光强度值中只有cn4高于0.3，记为1，cn1，cn2和cn3都低于0.3，记为0。以ph＝4.0的缓冲液作为第一路输入信号，以含有k⁺和ph＝8.5的缓冲液作为第二路输入信号，以菁染料ⅲj-聚集体吸光度sn作为和位输出信号，以菁染料ⅲ单体荧光强度cn作为进位输出信号，成功构建出一个半加器。

(2)构建半减器

取四只ep管，编号1、2、3和4，分别做以下处理：

向1号管中加入30μl浓度为100×10^-6mol/l的dna双链，然后加入20μl浓度为200×10^-6mol/l的菁染料ⅳ溶液，最后加入10×10^-3mol/l，ph＝8.5的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液1；

向2号管中加入30μl浓度为100×10^-6mol/l的dna双链和60μl浓度为1.0mol/l的kcl溶液，再加入20μl浓度为200×10^-6mol/l的菁染料ⅳ溶液，最后加入10×10^-3mol/l，ph＝8.5的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液2；

向3号管中加入30μl浓度为100×10^-6mol/l的dna双链，然后加入20μl浓度为200×10^-6mol/l的菁染料ⅳ溶液，最后加入10×10^-3mol/l，ph＝4.0的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液3；

向4号管中加入30μl浓度为100×10^-6mol/l的dna双链和60μl浓度为1.0mol/l的kcl溶液，再加入20μl浓度为200×10^-6mol/l的菁染料ⅳ溶液，最后加入10×10^-3mol/l，ph＝4.0的tris-hcl缓冲溶液，使溶液体积为1ml，得溶液4。

菁染料ⅳ结构式如下：

dna双链是通过以下方式制得的，即将富c序列的dna单链和富g序列的dna单链等体积混合，于90℃加热2-15min，再自然冷却至室温；

其中，富c序列的dna单链浓度为100×10^-6mol/l，序列为：5′-ccacaccacaccacacccaa-3′；

富g序列的dna单链浓度为100×10^-6mol/l，序列为5′-ggtgtggtgtggttgg-3′。

将上述4种溶液分别混匀，分别置于25℃恒温孵育箱中孵育2h，分别测定每种溶液中菁染料ⅳ的h-聚集体吸光度(470-480nm之间的吸光度峰值)，记为b1、b2、b3、b4，菁染料ⅳ的j-聚集体吸光度(640-670nm之间的吸光度峰值)，记为d1、d2、d3、d4，根据上述测定结果，对其进行归一化处理，即分别除以b2(四种条件下，菁染料ⅳh-聚集体出现的最大吸光度)和d3(四种条件下，菁染料ⅳj-聚集体出现的最大吸光度)，计算公式如下所示：

normalizedbn1＝b1/b2

normalizedbn2＝b2/b2

normalizedbn3＝b3/b2

normalizedbn4＝b4/b2

normalizeddn1＝d1/d3

normalizeddn2＝d2/d3

normalizeddn3＝d3/d3

normalizeddn4＝d4/d3

将归一化处理后的数据进行统计分析，做柱状图，结果见图4。设定阈值为0.3，归一化后在643nm处的紫外吸收值中dn1和dn4都低于0.3，记为0，dn2和dn3均高于0.3，记为1。归一化后在476nm处的紫外吸收值中只有bn2高于0.3，记为1，bn1，bn3和bn4都低于0.3，记为0。以ph＝4.0的缓冲液作为被减数的输入信号，以含有k⁺和ph＝8.5的缓冲液作为减数的输入信号，以菁染料ⅳh-聚集体吸光度bn作为借位的输出信号，以菁染料ⅳj-聚集体吸光度dn作为差的输出信号，成功构建出一个半减器。