分子逻辑门的发展及在计算机上的运用

分子逻辑门的发展及在计算机上的运用一、分子逻辑门概念DeSlva课题组设计制造了第一个适合于微量计算处理的分子系统，他是基于光诱导电荷转移的体系，经由发色团的荧光发射可以通过一种或是更多的化学物质来控制.deSilva课题组设计的体系也是通过布尔逻辑运算进行数据处理的。通过基于二进制的'是-否，真-假，1-0”的概念设计可进行特殊运算的逻辑门，有一个输入便是输出结果。列如，"是”门（YESgate）正好相反，当输入为1时候输入为1；“非门”（NOTgate）正好相反，当输入为1是输出为0；“与”门（ANDgate）是职业当两个输入同时为1时输出1；“异或”门（XORgate）是当同时的两个输入不同时为1，否则输出为0.经行1+1运算（在二进制中，1+1=10），"与”门与“异或”门可得出两个不同的结果（输入两个1，与门和或门所得的结果分别是1和0）。这是一个最简单的加法装置，称做半加器。与数字电路中的逻辑门概念类似，如果用分子来分别描述逻辑门，输入和输出信号，进而实现分子水平上的逻辑操作，则这样的“门”称作分子逻辑门。分子逻辑操作的实现过程称作分子逻辑电路。即分子逻辑门和分子逻辑电路与传统意义上的逻辑门和逻辑电路所实现的功能一样，区别仅仅找与操作对象不同，一个是电信号，一个是分子。分子逻辑门大体上可以分两种，一种是单输入逻辑门（如“是”门和“非”门），另一张是多输入逻辑门（如“与”门、“或”门、“与非”门、“异或”门等）下面仅以单输入逻辑门为例对分子逻辑门做一下介绍，说明如何实现基于分子上的逻辑操作。输入墙出度北｝LH+)PAS5I输入墙出度北｝LH+)PAS5IYESNOTPAS5O0I0101110Q例坷AHG表I单骡入单输出咨辕门鼻值增圈理财割千fd】胃茧出制单人铜单t圈与计算机或逻辑学知识，我们知道单输入模式有四种可能的输出模式，如表1和图1所示，如果输入为0则输出只能为0或1（两种选择）；如果输入为1则输出也只能为0或1（两种选择）。这四种输出的二进制模式相应于一种逻辑类型：PASS0“是”门（YESgate），“非门”（NOTgate）和PASS1，无论输入何值，PASS0总输出0，PASS1总输出1“是”门输出保持一致（如果输入为1则输出为1），非门输出与输入值恰好相反（如果输入为0则输出为1）。1.两类分子逻辑门与传统的基于半导体的逻辑门不同，在分子逻辑门中输入的信号通常是一种简单的化学物质，如H+；输出信号通常为荧光，这是因为荧光容易检测。PASS1门是一个简单的荧光染料（化合物A）；“是”门是一个荧光开关（化合物B），只有H+浓度大于一定值时才会发射荧光。下面以化合物D和化合物E为例详细介绍一下基于分子设计“是”逻辑门和“非”逻辑门。1.1“是"逻辑门（NOTlogicgate）如图2所示，用最简单的H+输入“是”门进行运算。这是一个“荧光团-间隔基-受体“模型，他是已含有负电子氨基侧链（受体）的芳香体系（荧光图），荧光团受激发后不会发射荧光。在热力学允许的情况下，PET过程非常快，以至源于荧光团的发射光发生强烈的淬灭（这时出为0）。但当合适的客体输入到受体中时就会禁阻PET过程，处于激发态的荧光团发射不会受阻（这时候输出为1）。实际上，向分子D输入一个H+，用紫外灯对

其照射，将会发出（输出）蓝色的荧光。尽管这个过程很简单，处理器D用三个实体管理它的交互作用，并且可以作为一个简单的分子进行工作。1.2“非"逻辑门（NOTlogicgate）图3分子模型、单输入〃非“门和直值表酸盐受体的光诱导电荷转移（PET）过程。PET是光合作用的基础过程，因此这种理论具有如图3所示，化合物E是一个“非”门（NOTgate），在光照情况下输入H+,无荧光发出（输出）化合物E包含一个可接受激发光并发出荧光的荧光团模块（一个易激发的n电子体系），还包含一个受体模板（安息香酸盐）用来键联输入的化学物质（这里是H+）。这两个模块通过一个含有几个a键的间隔基模板结合在一起，形成了“荧光团-间隔基-受体”的模型。H+诱导的荧光淬灭是犹豫下属原因出现的：当H+浓度低时（输入为0），找没有明显的光化学干扰下荧光团受激发后会产生明亮的荧光（输出为1）；当H+浓度高时（输入为1），荧光团受激发后收到光化图3分子模型、单输入〃非“门和直值表酸盐受体的光诱导电荷转移（PET）过程。PET是光合作用的基础过程，因此这种理论具有二、分子逻辑门的进展从上面的事例可以看出，利用简单的分子可以实现逻辑器件的功能。近年来，已经报道了大量的基于分子设计的逻辑门（如“与”门、“或”门、“与非”门、“异或”门等）以及集成分子逻辑门，利用这些逻辑门可以组合成加法器和减法器经行数据处理。相信，找不久的将来，基于分子设计的逻辑器件必会极大地改变人们的生活。2014年11月第四届分子传感与逻辑门国际会议在沪召开，来自25个国家350多位国内外知名专家、学者齐聚华东理工大学，出席由该校主办的第四届分子传感与逻辑门国际会议，深入研讨有机光电功能分子，特别是分子传感与分子逻辑门、超分子组装和分子机器领域的最新进展和未来发展趋势等问题。华东理工大学科研人员设计了一种基于解聚集的磁一光双功能新型探针，可用于早期肺癌的检测。这种新型探针，正是分子传感和逻辑门器件的应用之一。作为有机光电功能分子与材料领域的一个重要分支，有机分子传感和逻辑门的研究近三十年来发展很快，它涉及材料、化学、物理、微电子、生物影像、界面工程等多个交叉学科，是学术界关注的热点。它们还可被广泛应用在复杂生物和环境体系的内状态信息表达、药物高通量筛选及荧光组织化学研究等领域，开创了众多交叉学科研究的新突破。据中国工程院院士、华东理工大学教授钱旭红介绍，分子传感与逻辑门国际会议每两年举办一届，首届会议即于2007年在华东理工大学举行。此次会议的主题包括分子传感器、分子逻辑门、超分子组装及其分子机器等，华东理工大学钱旭红院士、田禾院士担任大会组委会主席，曲大辉教授担任大会秘书长。当天，英国曼彻斯特大学教授DavidA.Leigh以风趣幽默的报告拉开了这场学术盛宴的序幕。此外，本次研讨会还安排了4场大会报告、33个邀请报告、50个口头报告及140余个墙报。来自韩国、美国、英国、和中国等25个国家及地区的专家、学者们，通过学术报告、墙报、专题研讨等形式，对目前分子传感与逻辑门等相关研究领域进行了深入的交流。会议期间，大会组委会还分别向德克萨斯大学奥斯汀分校JonathanL.Sessler教授、日本九州大学SeijiShinkai教授颁发了2014年度的分子传感和逻辑门奖，以表彰JonathanL.Sessler教授在比色型探针、杯毗咯的自组装以及分子逻辑器件的设计等领域的杰出贡献，以及SeijiShinkai教授在分子机器、功能杯芳烃、超分子凝胶等领域的重要贡献。三、分子逻辑门在计算机上的运用RNA分子生物计算机美国加州理工学院已研制出一种RNA计算机，它是最先进的生物计算机，克里斯蒂娜嘶默克建立了一个RNA分子装置实现逻辑门的功能，逻辑门是电子计算机的运算基础。这款最新RNA分子计算机处理输入信息是自然细胞蛋白质形式，生成的输出信息是绿色荧光蛋白质。该计算机的核心是核酶一一能够催化改变其他分子的短结构RNA分子。当核酶附加在RNA序列上，RNA细胞便能够转换成为绿色荧光蛋白质，第三个RNA分子对核酶而言充当着“扳机引擎”的作用。这种“扳机引擎”RNA分子可用于设计约束细胞内像蛋白质或抗生素(antibiotic)等特殊的分子结构，当它运行时，具有催化剂作用的核酶能够摧毁绿色荧光蛋白质序列，避免细胞形成任何类型的发光蛋白质。整个分子计算机实现的是一个“非”逻辑门：当一个输入蛋白质生成绿色荧光蛋白质时表现出停止；使用两个“扳机引擎”RNA分子可生成“与非”逻辑门，输出的状态依赖于两种输入蛋白质是否存在。克里斯蒂娜称，多样化“与非”逻辑门可用于运行其他的逻辑操作，这种RNA分子计算机能够执行实现普通的计算机运算。DNA逻辑门运用与计算机DNA核酶是一种通过体外进化筛选出来的具有特定酶活性的核酸结构，在该项研究中采用的是具有DNA水解酶活性的DNA核酶。这种具有锤头状结构的核酶可以在铜离子辅助下催化氧化并切割底物DNA。DNA逻辑门即是在这种DNA核酶结构基础上通过模块设计研制出来的。输入信号通过特定的生物分子传感可以产生输出信号，从而实现“YE