一种上转换逻辑门构建方法及系统与流程

本发明涉及逻辑门构建领域，特别是涉及一种上转换逻辑门构建方法及系统。

背景技术：

逻辑门是在二进制系统中实现逻辑运算法则，并构成传统计算机微处理器的基础。近年来，许多研究工作致力于识别理想的候选者，这导致各种逻辑系统的显着进步，例如or，xor，inhibit，and，nand和nor。鉴于需要小型化和功能密度的增加，这些通过接收化学，生物或光学输入信号来执行逻辑运算的逻辑门为未来的计算技术提供了新的范例。迄今为止，分子逻辑门在基于各种模拟逻辑运算系统的分子级计算机的开发中具有重要意义。尽管价值巨大，但开发具有使用更多功能材料的有形应用的数字系统仍然是一个巨大的挑战。大多数分子逻辑门使用电化学发光、荧光或比色信号作为其输出，其经常遭受复杂的处理程序，高背景信号和低灵敏度的影响，通常需要复杂的标记或修改过程和高成本。基于上转换发光构建的逻辑操作具有灵敏度高、操作简便和抗干扰性强等优点，基于此建立的逻辑门能够更好的应用在信息传递、防伪、生物传感以及检测方面。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种上转换逻辑门构建方法及系统，能够更好的应用在信息传递、防伪、生物传感以及检测方面。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种上转换逻辑门构建方法，所述方法包括：

制备稀土掺杂的上转换材料；

获取逻辑门的基本构架以及输入，所述基本构架为所述上转换材料，所述输入为镨离子和镧系元素为输入；

通过近红外激光激发所述上转换材料，得到上转换绿光和上转换红光；

获取所述上转换绿光与所述上转换红光的强度比值；

以所述强度比值为输出，完成上转换逻辑门的构建。

可选的，所述制备稀土掺杂的上转换材料，具体包括：

通过将总摩尔数为2mmol稀土氧化物混合，并用硝酸溶解，加入edta进行络合，同时加入4mmolnaf和32mmolnh4hf2，加热搅拌30min后放置在反应釜中，并移入马弗炉中在190℃下保温30h，降至室温，用无水乙醇和去离子水清洗，得到稀土掺杂的上转换材料。

可选的，所述镧系元素包括：nd、yb、er、la和gd。

可选的，所述近红外激光的波长为800-1064nm。

本发明还提供了一种上转换逻辑门构建系统，所述系统包括：

制备模块，用于制备稀土掺杂的上转换材料；

第一获取模块，用于获取逻辑门的基本构架以及输入，所述基本构架为所述上转换材料，所述输入为镨离子和镧系元素为输入；

激发模块，用于通过近红外激光激发所述上转换材料，得到上转换绿光和上转换红光；

第二获取模块，用于获取所述上转换绿光与所述上转换红光的强度比值；

构建模块，用于以所述强度比值为输出，完成上转换逻辑门的构建。

可选的，所述制备稀土掺杂的上转换材料，具体包括：

通过将总摩尔数为2mmol稀土氧化物混合，并用硝酸溶解，加入edta进行络合，同时加入4mmolnaf和32mmolnh4hf2，加热搅拌30min后放置在反应釜中，并移入马弗炉中在190℃下保温30h，降至室温，用无水乙醇和去离子水清洗，得到稀土掺杂的上转换材料。

可选的，所述镧系元素包括：nd、yb、er、la和gd。

可选的，所述近红外激光的波长为800-1064nm。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：上转换发光是一种在红外光激发下发射可见光的发光，将波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光，具有低毒性、化学稳定性高、光稳定性优异、发射带窄、发光寿命长等优点，同时，其激发光源近红外光(980nm或808nm)具有光穿透力强、对生物组织几乎无损伤、无背景荧光等特点。基于上转换发光构建的逻辑操作具有灵敏度高、操作简便和抗干扰性强等优点，基于此建立的逻辑门能够更好的应用在信息传递、防伪、生物传感以及检测方面的应用要求。本发明所制备的上转换发光逻辑门，其具有性能优异、工艺简单、操作方便且环境友好，可以在不同领域中应用；为上转换发光材料的功能器件化和新型逻辑门的设计打开思路，有望在相应防伪，生物传感，以及检测等技术领域显示出诱人的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例上转换逻辑门构建方法的流程图；

图2为本发明实施例逻辑与门示意图；

图3为本发明实施例逻辑异或门示意图；

图4为本发明实施例逻辑或门示意图；

图5为本发明实施例逻辑禁止门示意图；

图6为本发明实施例上转换逻辑门构建系统的结构框图。

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。

本发明的目的是提供一种上转换逻辑门构建方法及系统，能够更好的应用在信息传递、防伪、生物传感以及检测方面求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，上转换逻辑门构建方法包括：

步骤101：制备稀土掺杂的上转换材料。

稀土(re)掺杂上转换材料的制备，通过将总摩尔数为2mmol稀土氧化物(pr2o3和ln2o3)混合，并用硝酸溶解，加入edta使其充分络合，同时加入4mmolnaf和32mmolnh4hf2，加热搅拌30min后放置在反应釜中，并移入马弗炉中在190℃下保温30h，降至室温，用无水乙醇和去离子水清洗，得到稀土掺杂上转换发光材料。

步骤102：获取逻辑门的基本构架以及输入，所述基本构架为所述上转换材料，所述输入为镨离子和镧系元素为输入。以上转换基质材料为逻辑门的基本构架，以pr离子与nd、yb、er、la、gd中的至少一种离子为输入信号。

基于pr离子的稀土氟化物掺杂其他ln离子的上转换发光逻辑门，以pr和ln(镧系元素)两种稀土离子的加入为输入条件，当掺杂的稀土离子存在时，输入为1，不存在时为0。

步骤103：通过近红外激光激发所述上转换材料，得到上转换绿光和上转换红光。上转换发光材料在800-1064nm近红外波长不同激光功率的辐射下实现信号的输出。

步骤104：获取所述上转换绿光与所述上转换红光的强度比值。

步骤105：以所述强度比值为输出，完成上转换逻辑门的构建。在不同波长的近红外激光激发下，以材料发出的上转换绿光和红光的强度比值为输出结果，比值高于0.3时为1，低于0.3时为0；从而实现逻辑操作。

本发明所述构筑的逻辑门可以为与门(and)、或门(or)、异或门(xor)和禁止门(inhibit)。

实施例1

一种基于镨离子掺杂材料的上转换逻辑与门设计，以上转换发光材料为逻辑门的基本构架，以pr离子与yb离子为输入条件，当掺杂离子包括这两种稀土离子时为1，不存在时为0；激光功率的值设为600mw。

当同时加入pr离子以及yb离子时，即输入信号为(1，1)时，在600mw的激光功率的激发下，产生的绿红比大于0.3，输出信号为1；

当pr离子和yb离子都不存在时，即输入信号为(0，0)，在600mw的激光功率的激发下，上转换材料不能产生发光，输出信号为0；

当只存在pr离子或者yb离子时，也就是输入信号为(1，0)或者(0，1)时，在600mw的激光功率的激发下，其输出信号绿红比小于0.3时，输出信号为0。

其逻辑电路如图2所示，其输出真值表如下面表1所示。

表1：与门真值表

实施例2

一种基于镨离子掺杂材料的上转换逻辑异或门设计，以上转换发光材料为逻辑门的基本构架，以pr离子与nd离子为输入条件，当掺杂离子包括这两种稀土离子时为1，不存在时为0；激光功率的值设为1080mw。

当同时加入pr离子以及nd离子时，即输入信号为(1，1)时，在1080mw的激光功率的激发下，产生的绿红比小于0.3，输出信号为0；

当pr离子和nd离子都不存在时，即输入信号为(0，0)，在1080mw的激光功率的激发下，上转换材料不能产生发光，输出信号为0；

当只存在pr离子或者nd离子时，也就是输入信号为(1，0)或者(0，1)时，在1080mw的激光功率的激发下，其输出信号绿红比大于0.3时，输出信号为1。

其逻辑电路如图3所示，其输出真值表如下面表2所示。

表2：异或门真值表

实施例3

一种基于镨离子掺杂材料的上转换逻辑或门设计，以上转换发光材料为逻辑门的基本构架，以pr离子与nd离子为输入条件，当掺杂离子包括这两种稀土离子时为1，不存在时为0；激光功率的值设为1424mw。

当同时加入pr离子以及nd离子时，即输入信号为(1，1)时，在1424mw的激光功率的激发下，产生的绿红比大于0.3，输出信号为1；

当pr离子和nd离子都不存在时，即输入信号为(0，0)，在1424mw的激光功率的激发下，上转换材料不能产生发光，输出信号为0；

当只存在pr离子或者nd离子时，也就是输入信号为(1，0)或者(0，1)时，在1424mw的激光功率的激发下，其输出信号绿红比大于0.3时，输出信号为1。

其逻辑电路如图4所示，其输出真值表如下面表3所示。

表1：或门真值表

实施例4

一种基于镨离子掺杂材料的上转换逻辑禁止门设计，以上转换发光材料为逻辑门的基本构架，以pr离子与nd离子为输入条件，当掺杂离子包括这两种稀土离子时为1，不存在时为0；激光功率的值设为229mw。

当只存在nd离子时，即输入信号为(1，0)时，在229mw的激光功率的激发下，产生的绿红比大于0.3，输出信号为1；

当pr离子和nd离子都不存在时，即输入信号为(0，0)，在229mw的激光功率的激发下，上转换材料不能产生发光，输出信号为0；

当只存在pr离子或者pr离子和nd离子都存在时，也就是输入信号为(0，1)或者(1，1)时，在229mw的激光功率的激发下，其输出信号绿红比小于0.3时，输出信号为0；

其逻辑电路如图5所示，其输出真值表如下面表4所示。

表4：禁止门真值表

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：上转换发光是一种在红外光激发下发射可见光的发光，将波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光，具有低毒性、化学稳定性高、光稳定性优异、发射带窄、发光寿命长等优点，同时，其激发光源近红外光(980nm或808nm)具有光穿透力强、对生物组织几乎无损伤、无背景荧光等特点。基于上转换发光构建的逻辑操作具有灵敏度高、操作简便和抗干扰性强等优点，基于此建立的逻辑门能够更好的应用在信息传递、防伪、生物传感以及检测方面的应用要求。本发明所制备的上转换发光逻辑门，其具有性能优异、工艺简单、操作方便且环境友好，可以在不同领域中应用；为上转换发光材料的功能器件化和新型逻辑门的设计打开思路，有望在相应防伪，生物传感，以及检测等技术领域显示出诱人的应用前景。

如图6所示，本发明还提供了一种上转换逻辑门构建系统，所述系统包括：

制备模块601，用于制备稀土掺杂的上转换材料。具体包括：通过将总摩尔数为2mmol稀土氧化物混合，并用硝酸溶解，加入edta进行络合，同时加入4mmolnaf和32mmolnh4hf2，加热搅拌30min后放置在反应釜中，并移入马弗炉中在190℃下保温30h，降至室温，用无水乙醇和去离子水清洗，得到稀土掺杂的上转换材料。

第一获取模块602，用于获取逻辑门的基本构架以及输入，所述基本构架为所述上转换材料，所述输入为镨离子和镧系元素为输入。所述镧系元素包括：nd、yb、er、la和gd。

激发模块603，用于通过近红外激光激发所述上转换材料，得到上转换绿光和上转换红光。所述近红外激光的波长为800-1064nm。

第二获取模块604，用于获取所述上转换绿光与所述上转换红光的强度比值。

构建模块605，用于以所述强度比值为输出，完成上转换逻辑门的构建。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。