（分析化学专业论文）纳米金颗粒分子逻辑门的构建及其分析应用.pdf

，扩 q k f 。y 6 i f 一 c o n s t r u c t i o no fm o l e c u l a r l o g i cg a t e sb a s e do ng o l dn a n o p a r t i c l e s a n dt h e i ra p p l i c a t i o n si na n a l y s i s b y j ih a i n i n g b s ( w e i n a nn o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n a n a l y t i c a lc h e m i s t r y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gk e m i n p r o f e s s o ry a n gx i a o h a i m a y ，2 0 1 1 3 肌6770 川9川-iy i q f p 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：菊磅臼宇 日期：劲，f 年岁月夕f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密妒。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：锹凌雪 日期：加j f 年岁月弓j 日 导师签名：椭 一，日期：o bc ( 年，月岁， 日 乓a ，出 l ， 纳米金颗粒分子逻辑门的构建及其分析应用 摘要 分子逻辑器件具有尺寸小、存储量大、便于设计、反应速度快等诸多优点， 是2 1 世纪化学、生物和材料等最为重要的交叉领域之一。纳米金颗粒( a u n p s ) 以 其独特的光学性质、小尺寸和表面效应以及优良的生物亲和性，在纳米器件、生 物传感等领域显示了独特的价值。d n a 分子由于具有可编程的序列特异性、丰富 的构象变化及特殊的生物活性，近年来被认为是构建生物纳米器件的理想材料。 本论文瞄准这一前沿领域，以a u n p s 作为载体，结合距离依赖性的增强猝灭荧 光效应和d n a 分子探针的特异性识别作用，开展了以下工作： 一、基于d n a “分子标尺”对纳米金颗粒距离依赖性的增强猝灭荧光的研究 以双链d n a 作为“分子标尺”，在每条d n a 的不同位置处修饰染料分子四甲 基罗丹明( t m r ) 或荧光素( f a m ) ，考察染料分子修饰的d n a 链和a u n p s 修饰的 d n a 链杂交后荧光强度的变化，系统研究了a u n p s 距离依赖性的增强猝灭荧光。 结果表明：染料分子和a u n p s 相距0 个碱基时，荧光猝灭效果最为明显：相距 3 0 个碱基时，荧光增强效果最为显著；相距5 0 个碱基时，荧光强度变化不大。 进一步实验发现a u n p s 的荧光增强猝灭效应与染料类型和a u n p s 的尺寸相关。 这可能是由于不同尺寸的a u n p s 局域电磁场增强和荧光分子到纳米颗粒表面无 辐射能量转移过程的竞争所致。该工作有助于进一步认识a u n p s 对荧光分子的荧 光增强猝灭效应的机理，对相关分析方法的建立和纳米器件的构建具有参考价 值。 二、基于纳米金颗粒增强猝灭荧光效应的多目标物检测及其逻辑门操作 基于a u n p s 对荧光分子距离依赖性的增强猝灭荧光效应，将标记f a m 的腺 苷核酸适体( a p t a m e r ) 和分子信标( m b ) 分别修饰在a u n p s 表面，通过目标物引起 的d n a 探针的构型变化，利用荧光信号“o n o f f ”和“o f f o n ”两种模式实现了 腺营和c d n a 的检测，检测下限分别达到6 4 “m 和0 5n m 。在此基础上将腺苷 a p t a m e r 和m b 同时标记到a u n p s 表面，通过x o r 型逻辑门的操作实现了多目 标物的检测。本工作将a u n p s 对荧光分子的距离依赖性作用应用到逻辑门的构建 中，进一步拓展了a u n p s 在逻辑门构建中应用。 三、单颗粒水平x o r 型逻辑门纳米器件的构建 在前一部分工作的基础上，将f a m 染料更换为c y 5 ，利用a u n p s 距离依赖 性的光学性能和d n a 探针的构型变化构建了x o r 型逻辑门。采用全内反射荧光 显微镜进行了单颗粒成像，对目标物作用下单个颗粒荧光强度的变化进行了统计 分析。结果表明，单颗粒水平与溶液均相结果一致，均具有x o r 逻辑门响应。 ! ， 硕士学位论文 该逻辑门有望应用于多功能光电器件的构建，在纳米生物传感和d n a 分子计算 机方面有广阔的应用前景。 关键词：分析检测；逻辑门；纳米器件；纳米金颗粒；单颗粒成像 纳米金颗粒分子逻辑门的构建及其分析应用 a b s t r a c t w i t ht h er e m a r k a b l ea d v a n t a g e so fm o l e c u l a rd e v i c e s ，s u c ha ss m a l ls i z e ，l a r g e s t o r a g e ，f a c i l es y n t h e s i sa n df a s tr e s p o n s e ，e t c ，t h es t u d yo fm o l e c u l a rd e v i c e sh a s 户 b e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a sa r i s i n gf r o mm u l t i d i s c i p l i n e 簟 s u b j e c t s ( c h e m i s t r y ，b i o l o g y ，a n dm a t e r i a l s ) i nt h e2 1s tc e n t u r y g o l dn a n o p a r t i c l e s ( a u n p s ) h a v ef o u n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n si nn a n o d e v i c e s ，b i o s e n s o r sa n do t h e r f i e l d sd u et ot h e i ru n i q u eo p t o e l e c t r o n i ep r o p e r t i e s ，s m a l ls i z e ，s u r f a c ee f f e c t sa n d e x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y d n am o l e c u l e sa r ec o n s i d e r e dt ob eak i n do fi d e a l m a t e r i a l sf o rb i o n a n o d e v i c e sc o n s t r u c t i o nw i t hp r o g r a m m a b l e s e q u e n c e - s p e c i f i c ， a b u n d a n tc o n f o r m a t i o n a lc h a n g e sa n dt h es p e c i f i cb i o l o g i c a la c t i v i t y i nt h i st h e s i s ， n a n o d e v i e e sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rl o g i cg a t eo p e r a t i o n sb a s e do nf l u o r e s c e n c e e n h a n c e m e n t q u e n c h i n ge f f e c to fa u n p sa n ds p e c i f i cr e c o g n i t i o no f m o l e c u l a rp r o b e s t h ec o n t e n to ft h i st h e s i si ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 s t u d yo fd i s t a n c e d e p e n d e n tf l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t q u e n c h i n g e f f e c t b e t w e e na u n p sa n df l u o r o p h o r e sb y m o l e c u l a rr u l e r d o u b l e - s t r a n d e dd n aw a su s e da st h e ”m o l e c u l a rr u l e r ”f o rp r e c i s er e g u l a t i o no f d i s t a n c e sb e t w e e na u n p sa n df l u o r o p h o r e st m r f a mr e s u l t i n gi nf l u o r e s c e n c e s i g n a lc h a n g e d i s t a n c e - d e p e n d e n tf l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t q u e n c h i n ge f f e c to f a u n p sw a ss y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef l u o r e s c e n c es i g n a l w a st o t a l l yq u e n c h e dw h e nn od n ab a s eb e t w e e na u n p sa n df l u o r o p h o r e s w h i l ei n 3 0b a s ep a i r sa p a r t ，f l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n te f f e c ti sm a x i m a l w h e n5 0b a s ep a i r s a p a r t ，t h e r ew a sa l m o s tn oe f f e c to nt h ef l u o r e s c e n c es i g n a l f u r t h e r m o r e ，i tw a s f o u n dt h a tt h ef l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t q u e n c h i n go fa u n p sw a sa s s o c i a t e dw i t h f l u o r o p h o r e st y p ea n dt h es i z eo fa u n p s t h eq u e n c h i n ge f f i c i e n c yo fa u n p sw i t h d i f f e r e n ts i z eo f5n m ，13a m ，a n d2 5a mo nt m r f a mi n c r e a s e dp r o g r e s s i v e l ya st h e s i z ei n c r e a s e d ，a n df l u o r e s c e n eo ff a mw a sg r e a t e rq u e n c h e dt h a nt h a to ft m r t m r f a mf l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n tr e a c h e d3 0 8t i m e sa n d3 7 6t i m e sr e s p e c t i v e l y f o r13n ma u n p s t h ed i f f e r e n tf l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t q u e n c h i n ge f f e c t s b y d i f f e r e n ts i z eo fa u n p sw e r ep r o b a b l yc o n t r i b u t e dt ol o c a lm a g n e t i ce n h a n c e m e n ta n d s u r f a c en o n r a d i a c t i v ee n e r g yt r a n s f e r t h i ss t u d yw i l lh e l pf o rf u r t h e ru n d e r s t a n d i n g o ft h em e c h a n i s mo ff l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t q u e n c h i n ge f f e c t s ，a n d p r o v i d ea n o p p o r t u n i t yf o rt h ec o n s t r u c t i o no fa u n p s - d n an a n o d e v i c e s i v ， 硕士学位论文 2 m u l t i t a r g e td e t e c t i o nb a s e do nf l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n ta n dq u e n c h i n gb y a u n p sa n dt h e i ru s ef o rl o g i cg a t eo p e r a t i o n s t a k i n g a d v a n t a g e o fd i s t a n c e d e p e n d e n ti n t e r a c t i o n sb e t w e e na u n psa n d f l u o r o p h o r e s ，f a m t a g g e da d e n o s i n ea p t a m e ra n dm o l e c u l a rb e a c o nw e r ea t t a c h e dt o t h es u r f a c eo fa u n p s ，a n db ye m p l o y i n gt h ec o n f o r m a t i o n a lc h a n g eo fd n ap r o b e s c a u s e db yt h et a r g e t ，t h ed e t e c t i o no fa d e n o s i n ea n de d n aw a sa c h i e v e du s i n gt h e ， f l u o r e s c e n c es i g n a l ”o n _ o f f ”a n d ”o f f - o n ”m o d e s t h ed e t e c t i o nl i m i tw a s6 4l x m a n d0 5n mf o ra d e n o s i n ea n de d n a ，r e s p e c t i e l y o nt h i sb a s i s ，a d e n o s i n ea p t a m e r a n dm o l e c u l a rb e a c o nw e r em o d i f i e do nt h es a m ea u n p s ，m u l t i t a r g e td e t e c t i o nw a s r e a l i z e dv i at h en e wx o r l o g i cg a t eo p e r a t i o n s i nt h i sp r o j e c t ，d i s t a n c e d e p e n d e n t o p t i c a lp r o p e r t i e so fa u n p s w e r ee m p l o y e di nt h ec o n s t r u c t i o no fl o g i cg a t e s ，w h i c h b r o a d e n e dt h ea p p l i c a t i o no fa u n p si nb i o a n l a y s i s 3 t h ec o n s t r u c t i o no fx o r l o g i cg a t en a n o d e v i c e sa ts i n g l ep a r t i c l el e v e l b a s e do nt h ep r e v i o u sp r o je c t ，x o rl o g i cg a t en a n o d e v i c e sw e r eb u i l tv i a d i s t a n c e - d e p e n d e n to p t i c a lp r o p e r t i e s o fa u n p sa n dd n ap r o b ec o n f o r m a t i o n a l c h a n g e f a mf l u o r o p h o r e w a sr e p l a c e dw i t hc y 5 f u r t h e r m o r e ，s i n g l ep a r t i c l e i m a g i n g w a si m p l e m e n t e db yt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o nf l u o r e s c e n c em i c r o s c o p y s t a t i s t i c a la n a l y s i so fs i n g l ep a r t i c l ef l u o r e s c e n c es i g n a lc h a n g ew a sc a r r i e do u ti nt h e p r e s e n to ft a r g e t a si nt h eh o m g e n e o u ss o l u t i o n ，s i n g l ep a r t i c l ei m a g i n g r e s u l t s s h o w e dt h es a m er e s p o n s ef o rx o rl o g i cg a t e ，i n d i c a t i n gs u c c e s s f u lc o n s t r u c t i o no f s i n g l ep a r t i c l e n a n o d e v i c e s t h i s l o g i cg a t ep r o v i d e dg r e a tp r o m i s i n g f o rt h e c o n s t r u c t i o no fm u l t i f u n c t i o n a lo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，w h i c hh a db r o a dp r o s p e c t si n b i o l o g i c a ls e n s i n ga n d d n a c o m p u t e r k e yw o r d s ：a n a l y t i c a ld e t e c t i o n ；l o g i cg a t e ；n a n o d e v i c e ；g o l dn a n o p a r t i c l e ；s i n g l e p a r t i c l ei m a g i n g v 纳米金颗粒分子逻辑门的构建及其分析应用 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i v 本文所用英文缩略词表v i i i 第1 章绪论1 1 1 分子逻辑门概述1 1 1 1 分子逻辑门的基本概念1 1 1 2 分子逻辑门的基本特征一2 1 2 分子逻辑门的种类3 1 2 1 基本逻辑门3 1 2 2 复合逻辑门7 1 3 分子逻辑门的分析检测应用1 0 1 3 1 分子逻辑门的荧光分析检测应用11 1 3 2 分子逻辑门的比色分析检测应用1 3 1 3 3 分子逻辑门的电化学分析检测应用1 6 1 4 本论文拟开展的工作1 7 第2 章基于d n a “分子标尺”对纳米金颗粒距离依赖性的增强猝灭荧光的研究 19 2 1 前言1 9 2 2 实验部分2 0 2 2 1 试剂和仪器一2 0 2 2 2 缓冲溶液的配制2 1 2 2 3 纳米金颗粒的制备和表征一2 1 2 2 4 纳米金颗粒的修饰与纯化一2 2 2 2 5 不同尺寸纳米金颗粒与t m r 距离依赖性的荧光强度变化2 2 2 2 6 不同尺寸纳米金颗粒与f a m 距离依赖性的荧光强度变化2 3 2 3 结果与讨论2 3 2 3 1 实验原理一2 3 2 3 2 纳米金颗粒的粒径分布一2 3 2 3 3 纳米金颗粒的d n a 修饰2 4 2 。3 。4 不同尺寸纳米金颗粒与t m r 距离依赖性的荧光强度变化2 5 2 3 5 不同尺寸纳米金颗粒与f a m 距离依赖性的荧光强度变化一2 8 v i - 硕士学位论文 2 4 小结31 第3 章基于纳米金颗粒增强猝灭荧光效应的多目标物检测及其逻辑门操作3 2 3 1 前言3 2 3 2 实验部分3 2 3 2 1 试剂和仪器3 2 3 2 2 纳米金颗粒的制备、修饰与表征3 3 3 2 3 可行性考察3 3 3 2 4 单目标物开关响应及特异性考察3 3 3 2 5x o r 型逻辑门的构建：3 4 3 3 结果与讨论3 4 3 3 1 单目标物荧光开关的构建原理3 4 3 3 2 纳米金颗粒的制备及d n a 修饰3 5 3 3 3 可行性考察3 5 3 3 4 单目标物开关响应及特异性考察3 6 3 3 5x o r 型逻辑门的构建原理3 7 3 3 6 多目标物开关响应与逻辑门操作一3 8 3 3 7 样本模拟3 9 3 4 j 、结4 0 第4 章单颗粒水平x o r 型逻辑门纳米器件的构建4 1 4 1 前言4 l 4 2 实验部分4 1 4 2 1 试剂和仪器4 1 4 2 2x o r 型逻辑门的构建4 2 4 2 3 单颗粒成像4 2 4 3 结果与讨论4 3 4 3 1x o r 型逻辑门的构建原理4 3 4 3 2 多目标物开关响应与逻辑门操作4 3 4 3 3 单颗粒水平的x o r 型逻辑门操作4 5 4 4 小结5 0 结论51 参考文献5 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 4 致谢6 5 v i i 纳米金颗粒分子逻辑门的构建及其分析应用 本文所用英文缩略词表 缩略词名称缩略词名称 a b t s a f m a p t a m e r a t p a u n p s c y 5 c y s d n a a d n a c d n a s i c d n a s m d n a e d t a 2 ，2 。联氮双( 3 乙基苯并噻唑 6 磺酸) 原子力显微镜 核酸适体 三磷酸腺苷 纳米金颗粒 青色素染料5 半胱氨酸 脱氧核糖核酸 随机d n a 序列 与分子信标互补的 脱氧核糖核酸 部分互补的短链d n a 序列 单碱基错配d n a 序列 乙二胺四乙酸 e m c c d f a m f r e t h e m i n h e l p e r - d n a h r p m b p b s p m t r n a t e m 电荷增强型电感耦合 器件 荧光素 荧光共振能量转移 氯化血红素 辅助d n a 序列 辣根过氧化物酶 分子信标 磷酸缓冲液 光电倍增管 核糖核酸 透射电子显微镜 t i r f m全内反射荧光显微镜 t m r四甲基罗丹明 硕士学位论文 第1 章绪论 逻辑门是实现运算和逻辑操作的基础，是以硅为基础的传统电子计算机的核 心组成部分。理论上电子计算机的所有基础运算均可以通过其组合而实现。然而 电子计算机本身的发展是惊人的，运算速度较其原始模型已提高了约1 0 亿倍，传 统的硅基器件由于受基本物理规律和制造工艺的限制，其尺寸不可能无限地减小。 世界最大的芯片制造商i n t e l 公司的创办人之一g o r d o nm o o r e 博士1 9 6 5 年提出 m o o r e 定律法则，指出每个芯片可集成的零件差不多18 至2 4 个月可以翻一番。科 学家们预测，无机半导体集成电路的发展将在2 0 2 0 年左右达到极限【l 2 】，因此目前 以半导体技术为基础的电子电路难以产生真正的认知能力 3 1 。 随着微电子信息技术朝着纳米电子学和光子信息处理领域的日趋发展，纳米 光电子器件的构建越来越受到研究者的广泛关注 4 - 6 1 。以分子为基础的器件可以接 受和处理各种化学、物理和光学的输入信号，然后给出相应的不同输出信号，可 以在分子水平上以无线的方式完成各种逻辑运算。因此，分子逻辑器件的一个优 势就是拥有在狭小的纳米尺寸范围内潜在的巨大计算能力 7 - 9 】，这一点是传统的以 硅为基础的电子器件无能为力的。因此，分子逻辑器件不仅能够大大推动分子电 子器件的研究发展，最终构建新一代的分子计算机，而且有助于我们对自然界中 的一些复杂的生物现象的认识和理解。同时自由的分子设计、灵活的合成方法和 广泛可靠的自组装手段及分子本身超小的尺寸和丰富的性质为科学家利用 “b o t t o m u p ”方法来发展和制备分子器件开拓了广阔的应用前景【l 肌”j 。分子逻辑 器件不仅能够用于计算，而且在化学分子体系中常被用来进行信息处理和化学生 物传感，同时在医学领域进行的医学诊断过程中也发挥着至关重要的作用。 本章主要对当前研究活跃的分子逻辑门进行简要概述，主要包括分子逻辑门 的基本概念、基本种类、信号构建模式以及在化学生物分析中的研究进展等。并 在此基础上，提出本论文的主要构想。 1 1 分子逻辑门概述 1 1 1 分子逻辑门的基本概念 逻辑门是集成电路上的基本组件，是实现运算和逻辑操作的基础。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逻辑上的“真” 与“假”或二进制当中的“1 ”和“0 ”，从而实现逻辑运算。与数字电路中的逻辑门概 念类似，分子逻辑门是对分子或超分子实施两个或两个以上的复杂操作，得到相 ， 纳米金颗粒分子逻辑门的构建及其分析应用 应的逻辑信号，适用于“0 ”和“1 二进制的布尔逻辑运算，从而达到数字运算的目 的 1 4 1 。 1 9 9 3 年，d es i l v a 与其合作者首次把逻辑门概念引入分子与超分子体系，构建 了第一个最简单的逻辑门一与f - j 1 5 - 1 6 】。从那以后，各种各样的分子逻辑门 1 6 - 1 7 ( 与 r - j ( a n d ) 1 8 - 2 0 1 、或门( 0 r ) 2 1 艺2 1 、异或r ( x o r ) t 2 3 - 2 5 1 、或非r - j ( n o r ) 2 6 - 2 7 1 、与非门 ( n a n d ) 2 8 - 2 9 1 、异或非l - ( x n o r ) 3 0 并- i = ：l l i ( i n h i b i t ) 3 1 - 3 2 】等) 不断涌现，并且越 来越复杂，研究越来越热。令人兴奋的是，越来越多的基于化学体系构建的具有 组合功能的复杂逻辑门也不断呈现，如半加法器、半减法器、全加法器和分子密 码键盘等，使得人们对于构建分子逻辑门的发展和应用无限憧憬。 1 1 2 分子逻辑门的基本特征 分子逻辑门常用到的输入信号包括光、电、热、磁、机械和化学信号等等； 常用到的输出信号往往是光信号、电信号和磁信号等等( 图1 1 ) 。与传统的半导体 口e， 鼬a g 鲫 喇n 囊 i n p u t l i n p u t 2 人 一 s u b s t r a t e 一+ p r o d u c t ：l o g l c ，。+ o u t p u t 口 二d e v i c e 置 a t o m i c m o l e c u i a ri o n s l 4 1 8 。2 1 ，2 6 7 鬈 s m a l lm o l e c u l e s 2 1 o i i g o n u c l e o t i d e s 2 0 2 2 9 6 o i i g o p e p t i d e s 2 3t e m p e r a t u r e 9 9 一v 。慧 毒 l i g h ti n t e n s t y l 7 1 9 e n v i o m m e n t a lp o l a r i t y l 0 0i l i g h td o s ew i t h w i t h o u ti o n s 2 5 9 7 8 v o 比a g e 8 1 6 1 8 ， 菇 r e a g e n t c o n d i t i o n ，一，yr e a d o u t s m a l ls u p e r m o l e c u i e s l 4 。2 4 s u b s t r a t e 斗p r o d u c t f i u o r e s c e n c e l 4 ，1 6 1 8 4 3 ，9 6 - - 1 0 0 爰 l a r g e rs y n t h e t i ch o s t s l t r a n s m i t t a n c e a b s o r b a n c e 2 4 - 2 s 。3 0 。9 8 p h o t o c h r o m i c s 2 5 9 7 t w o p h o t o nf l u o r e s c e n e e l 0 2 o l i g o n u c i e o t i d e s 2 0 2 2 9 b c i r c u l a rd i c h r o i s m 3 2 o l i g o p e p t i d e s 2 3 e l e c t r i cc u 舱n t 8 ，1 7 1 9 e n z y m e s 驯 g e ie l e c t r o p h o r e s i s 2 0 2 2 r l b o z y m e s 4 3 t 1 0 1 c h r o m a t o g 陷p h y 2 3 s y n t h e t i cp o l y m e r s m a s ss p e c t r o m e t r y l 0 3 c e l lg m w t hi n h i b i t i o n 9 g e is w e l l i n 9 2 1 图1 1 化学反应和计算机过程示意图【5 】 ( a ) 常规的化学反应过程：( b ) 输入和输出信号的分子逻辑门；( c ) 分子逻辑的各种化学现象 硕士学位论文 无机电子器件工作原理完全不同，分子逻辑器件主要是利用化学体系中分子在外 界刺激下发生的酸碱反应、构象变化、光诱导电子、质子和能量转移反应、光诱 导的异构化、氧化还原反应以及各种超分子化学变化来实现逻辑运算的【5 】。其中， 分子开关是分子逻辑门的结构单元，是建立在分子水平上的可逆过程，外界条件 的触发改变使分子的结构或构型发生改变，从而表现出信号的变化。随着人们对 微观世界认识的不断深入，纳米技术和分子技术的研究取得了卓越的成绩，人们 对分子、离子进行调控，构建了一大批分子开关应用于生物分析检测【3 3 。5 1 。 分子逻辑门的应用主要在逻辑运算，用于构建分子整流器、分子导线、分子 晶体管、分子开关、分子机器以及分子逻辑器件等。通常，分子逻辑门对输入的 物理或化学信号进行相应的物理或化学信号输出。所以，很多材料如d n a 8 ，1 3 , 3 6 - 4 7 1 、r n a 4 8 - 5 1 1 、蛋白质【5 2 5 4 1 和其它有机分子【5 5 - 5 8 1 均可用于构建分子逻辑门，这 种逻辑门具备的生物化学信息也可以应用于生物化学分子的检测以及结构功能的 调控。 。 1 2 分子逻辑门的种类 1 2 1 基本逻辑门 在现代电子学中，逻辑门处理的信号是数字信号，它通过将电压的大小与二 进制数字对应编码来执行布尔逻辑运算。在晶体管电路中，输入输出都是相同范 围内的电压，这有利于电路的集成。电压值可以在一定范围内变化，但是有一个 设定的阈值( 如2v ) ，在正逻辑系统中，大于这个阈值表明该电压( 如3v ) 对应的是 二进制数字“1 ”，小于阈值对应的( 如lv ) 是二进制数字0 。在负逻辑系统中则相反。 基本的逻辑门有三个，分别为n o t 、a n d 和0 r 门。其中n o t 门是单输入单输出 的逻辑门，是将输入信号“l ”转变为输出信号“0 ”，反之亦成立。由于它的输出结 果与输入结果恰恰相反，n o t 门经常被称为反向器。而a n d 和o r 门属于双输入单 输出的逻辑门，o r 门合并了两个输入信号，即i n l 和i n 2 ，当i n l 和或i n 2 为“1 ”时， 输出o u t 为“1 ”；当i n l 和i n 2 均为“o ”时，则输出o u t 为“0 ”。a n d f - j 也是将两个输入 合并为一个输出，然而，此种情况下，仅当输入i n l 和i n 2 都为“1 ”时，输出o u t 才 为“1 ”，其他三种情况o u t 均为“o ”。由于这三种逻辑门单独操作时均无法满足所有 的逻辑功能，因此可以根据不同的真值表组合n o t ，a n d 及o r 门，以获得组合功 能的逻辑门，如x o r 、x n o r 、n o r 、n a n d 等。在电子学中，通常使用真值表 描述逻辑门输入输出的变化规则，用电子学符号代表特定的逻辑门( 图1 2 ) 【5 1 。 3 纳米金颗粒分子逻辑门的构建及其分析应用 口 口i n p u t ( a ) 00 11 7 n a m e y e s s y m b o l 卜一 a l g e b r a i c a e x p r e s s i o n 、? 0 u 【p u t 11 01 n o tp a s s1 珍 a1 细p u to u t p u t 鳓b ) 00oo001 o1o111o 10o1o1o 1111oo1 v。 o ，7 。 n a m ea n oo ri n hx o rx n o r 1 o o o n o r s v m 嘲 j 珍珍j a l g e b r a i c a - ba + bz - sa 百i 磊b 丽五丽x 五 e x o r e s s i o n 图1 2 单输入信号的逻辑门( a ) ；双输入信号的逻辑门( b ) 【5 】 矽， 。；磁 0 o o 一 ? 一 硕士学位论文 叔胺与葸的p e t 作用受到抑制，但烷基苯的p e t 作用猝灭了葸的荧光；同理，当 只缔合钠离子时，叔胺的p e t 作用使得化合物的荧光猝灭；只有当化合物同时缔 合n a + 和h + 时，才发射较强的荧光。 t a ；r = - 酲 l b ；r 。秘( c h 幽d ( a 屯k 3 4 3 04 7 05 1 05 5 0 1 钿嘲e 咐m ，n m 图1 3 双输入的a n d f 6 2 】 在此基础上，2 0 0 6 年d es i l v a 等【6 3 】又设计合成了具有三个受体的化合物( 图 1 4 ) 。在此化合物中，分别存在着从三个受体到荧光团的p e t 过程，使得荧光团葸 的荧光猝灭，只有当三个配体z n 2 + 、n a + 、h + 都与化合物配位作用时，才能有效地 抑制分子内的p e t 过程，使得荧光团葸发出荧光，以三个配体作为a n df - j 的三个 输入，对应于组合后的逻辑输出，在真值表中可以看到只有三个输入均为“1 ”时， 输出信号才为“1 ”。 n a