分子布爾邏輯和模糊邏輯系統(tǒng)的研究及其在石墨烯智能生化分析中的應(yīng)用.pdf

1、分子邏輯與計算裝置是一種基于物理、化學(xué)、生理過程中分子砌塊間的相互作用，實現(xiàn)信息處理過程的分子級裝置。它有望解決傳統(tǒng)電子計算機由于晶體管電路尺寸和性能極限所帶來的量子效應(yīng)問題，電子線路間信號串擾問題，不可逆計算所帶來的巨大能量耗散等問題。并且通過分子邏輯與計算裝置構(gòu)建出具有數(shù)字化、多組分組合分析、智能分析、“探測并執(zhí)行”能力的生化傳感裝置，將在納米科學(xué)、生化分析、生物醫(yī)藥、環(huán)境檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，分子邏輯與計算研究仍面臨

2、諸多問題，如:邏輯輸入輸出非同一性問題、邏輯門連接性問題、輸入或副產(chǎn)物累積問題、二態(tài)性難以區(qū)分問題等。而且“從邏輯到傳感”構(gòu)建實用的邏輯傳感分析系統(tǒng)的研究還剛剛起步，仍面臨數(shù)字化響應(yīng)不理想、信號無法甄選和利用、輸入-輸出編碼模式匱乏等難題。因此，發(fā)展新的分子邏輯與計算模型，提出新的邏輯與計算理論，應(yīng)用新型多功能性材料，開發(fā)新的模塊化系統(tǒng)，對于解決上述問題并實現(xiàn)分子邏輯與計算裝置的實用化具有重要意義。本論文圍繞如何構(gòu)建分子邏輯門與實現(xiàn)分子

3、邏輯系統(tǒng)的有機連接，如何構(gòu)建人工神經(jīng)元與解決信號模糊化等問題，針對以石墨烯納米材料為平臺，結(jié)合核酸適配體、Fenton反應(yīng)、金屬離子、有機染料等物質(zhì)建立邏輯智能分析系統(tǒng)進行初步研究與探索。
　　1.基于雙功能還原態(tài)石墨烯氧化物的熒光納米開關(guān)用于檢測汞離子和邏輯門操作
　　廉價、穩(wěn)定的有機染料與納米材料（如石墨烯、碳納米管、金納米等）相結(jié)合，有利于設(shè)計和構(gòu)建多功能傳感器。本章中，通過簡單混合還原態(tài)石墨烯氧化物(rGO)和有機染

4、料吖啶橙(AO)制得AO-rGO熒光納米開關(guān)，并利用rGO對Hg2+的選擇性吸附和其高效熒光猝滅能力，建立一種免標記、簡單、靈敏測定Hg2+的新方法。此外，半胱氨酸(Cys)能與Hg2+高效結(jié)合，使Hg2+脫離rGO，導(dǎo)致AO熒光再次猝滅。因此，可以構(gòu)建Cys-Hg2+驅(qū)動熒光可逆開關(guān)，用于禁止邏輯門操作。該有機染料-碳納米材料通用策略可潛在應(yīng)用于其他免標記生物納米工程、分子級化學(xué)傳感與計算以及環(huán)境健康科學(xué)等領(lǐng)域。
　　2.基于F

5、enton反應(yīng)誘導(dǎo)DNA裂解實現(xiàn)熒光增強檢測羥基自由基和Fe2+
　　近年來，有許多利用外部競爭物質(zhì)調(diào)控石墨烯的熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)作用，從而構(gòu)建光學(xué)傳感器的報道。但是，通過割裂探針直接切斷FRET的研究還很少。本章報道了一種新型DNA-石墨烯氧化物(GO)-Fenton混合系統(tǒng)，利用了GO的熒光猝滅能力和羥基自由基(HO·)對DNA探針的選擇性割裂作用，實現(xiàn)FRET作用調(diào)控，從而建立了一種高靈敏度、高選擇性測定Fe2+和

6、HO·的新方法。由于π-π堆積作用，熒光團標記DNA與GO自組裝形成復(fù)合物，導(dǎo)致熒光團熒光幾乎完全猝滅。Fenton試劑生成的HO·可誘導(dǎo)割裂被吸附DNA鏈，使標記熒光團的DNA碎片從GO表面釋放出來，從而恢復(fù)熒光。因此，熒光恢復(fù)依賴于HO·和Fe2+的濃度。實驗表明，增加的熒光強度與Fe2+和HO·的濃度呈正比，線性范圍從10nM到1μM，檢測限為2.4nM。此外，F(xiàn)enton-DNA割裂開關(guān)還可以用于區(qū)分鐵元素的價態(tài)（如Fe2+和F

7、e3+）。與傳統(tǒng)方法相比，所用DNA不需要修飾巰基、氨基等共價作用基團，從而簡化了功能化探針的步驟，并且GO還大大降低了背景信號。該通用策略可潛在擴展應(yīng)用于檢測自由基清除劑，研究新的類Fenton反應(yīng)，體內(nèi)ROS的檢測和成像，監(jiān)測割裂酶活性和環(huán)境污染物分析等。
　　3.基于還原態(tài)石墨烯氧化物模糊邏輯檢測G四聯(lián)體DNA及其裂解試劑
　　G四聯(lián)體(G4)結(jié)構(gòu)的檢測可以有力推動G4結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的研究，并且有利于發(fā)現(xiàn)新型DNA割裂抗

8、癌試劑，構(gòu)建基于G4構(gòu)型變化的生物傳感器和分子開關(guān)。但是，現(xiàn)有的G4結(jié)構(gòu)檢測方法，還存在費時、費力、相對昂貴、需要大型儀器等不足。本章結(jié)合納米技術(shù)和模糊邏輯理論的優(yōu)點，發(fā)展了一種基于有機染料-rGO復(fù)合物的簡單、無標記、通用的策略，用于熒光智能檢測G4DNA、HO·和Fe2+。利用AO-rGO復(fù)合物作為納米過濾器、納米開關(guān)，結(jié)合rGO與不同構(gòu)型DNA作用力的差異，實現(xiàn)了目標分析物的有效區(qū)分和定量檢測。實驗表明，AO-rGO復(fù)合物的熒光強

9、度會隨G4DNA的濃度增加而增強，兩者呈線性關(guān)系，線性范圍為16-338 nM，檢測限為2.0 nM。而Fenton試劑會重新猝滅G4DNA-AO-rGO復(fù)合物的熒光，F(xiàn)enton試劑濃度與被猝滅熒光的強度呈非線性關(guān)系。但是，F(xiàn)enton試劑濃度以10為底的對數(shù)與猝滅的熒光強度呈正比關(guān)系，線性范圍為兩段，分別為0.1-100μM和100-2000μM。此外，還發(fā)展了一種基于模糊邏輯的新型智能檢測方法，主要是利用了模糊邏輯可以模擬人的推理

10、、解決復(fù)雜和非線性問題、以及將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為語言描述等特點。該方法未來可應(yīng)用于生物化學(xué)系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)以及分子級模糊邏輯計算系統(tǒng)。
　　4.基于石墨烯化學(xué)系統(tǒng)的布爾邏輯樹用于分子計算和智能分子搜索查詢
　　近年來，使用生物化學(xué)分子或者生物元件作為砌塊，構(gòu)建新型人造計算裝置的研究引起了人們的廣泛興趣。目前，分子計算裝置的構(gòu)建面臨的最嚴峻問題是如何連接分子事件成為有用的裝置。本章中，利用布爾邏輯分析并組織連接石墨烯、有機染料、

11、凝血酶適配體以及Fenton反應(yīng)等化學(xué)事件形成布爾邏輯樹。并利用這些化學(xué)事件網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行熒光組合邏輯（包括基本邏輯門和復(fù)雜的聯(lián)合邏輯環(huán)路）和模糊邏輯計算。基于布爾邏輯樹分析和邏輯計算，這些基本的化學(xué)事件可以作為可編程“字符”，化學(xué)相互作用作為“語義”邏輯規(guī)則，從而可構(gòu)建分子搜索引擎用于智能分子搜索查詢。該方法有利于發(fā)展分子級高級邏輯“程序”，未來有望應(yīng)用于生化傳感、納米技術(shù)、載藥系統(tǒng)等。
　　5.pH感應(yīng)分子神經(jīng)元用于邏輯計算、信息編

12、碼和加密
　　腦環(huán)路具有強大記憶、聯(lián)想、推理等功能。為此，許多研究者致力于使用人工分子系統(tǒng)或電子裝置來設(shè)計神經(jīng)元類似物。但是，目前還沒有提出一個合理的分子神經(jīng)元模型。本章中，通過使用紫外-可見光吸收、熒光、共振光散射光譜技術(shù)研究常用的酸堿指示劑剛果紅(CR)染料的pH依賴響應(yīng)，展示了利用CR如何構(gòu)建分子神經(jīng)元以及表現(xiàn)出類神經(jīng)元行為。所提出的分子神經(jīng)元模型使用分子基團作為“樹突”以接受環(huán)境刺激輸入（如pH），分子母體作為“胞體”以執(zhí)