分子布尔逻辑和模糊逻辑系统的研究及其在石墨烯智能生化分析中的应用

摘要

分子逻辑与计算装置是一种基于物理、化学、生理过程中分子砌块间的相互作用，实现信息处理过程的分子级装置。它有望解决传统电子计算机由于晶体管电路尺寸和性能极限所带来的量子效应问题，电子线路间信号串扰问题，不可逆计算所带来的巨大能量耗散等问题。并且通过分子逻辑与计算装置构建出具有数字化、多组分组合分析、智能分析、“探测并执行”能力的生化传感装置，将在纳米科学、生化分析、生物医药、环境检测等领域具有广泛的应用前景。但是，分子逻辑与计算研究仍面临诸多问题，如:逻辑输入输出非同一性问题、逻辑门连接性问题、输入或副产物累积问题、二态性难以区分问题等。而且“从逻辑到传感”构建实用的逻辑传感分析系统的研究还刚刚起步，仍面临数字化响应不理想、信号无法甄选和利用、输入-输出编码模式匮乏等难题。因此，发展新的分子逻辑与计算模型，提出新的逻辑与计算理论，应用新型多功能性材料，开发新的模块化系统，对于解决上述问题并实现分子逻辑与计算装置的实用化具有重要意义。本论文围绕如何构建分子逻辑门与实现分子逻辑系统的有机连接，如何构建人工神经元与解决信号模糊化等问题，针对以石墨烯纳米材料为平台，结合核酸适配体、Fenton反应、金属离子、有机染料等物质建立逻辑智能分析系统进行初步研究与探索。
　　1.基于双功能还原态石墨烯氧化物的荧光纳米开关用于检测汞离子和逻辑门操作
　　廉价、稳定的有机染料与纳米材料（如石墨烯、碳纳米管、金纳米等）相结合，有利于设计和构建多功能传感器。本章中，通过简单混合还原态石墨烯氧化物(rGO)和有机染料吖啶橙(AO)制得AO-rGO荧光纳米开关，并利用rGO对Hg2+的选择性吸附和其高效荧光猝灭能力，建立一种免标记、简单、灵敏测定Hg2+的新方法。此外，半胱氨酸(Cys)能与Hg2+高效结合，使Hg2+脱离rGO，导致AO荧光再次猝灭。因此，可以构建Cys-Hg2+驱动荧光可逆开关，用于禁止逻辑门操作。该有机染料-碳纳米材料通用策略可潜在应用于其他免标记生物纳米工程、分子级化学传感与计算以及环境健康科学等领域。
　　2.基于Fenton反应诱导DNA裂解实现荧光增强检测羟基自由基和Fe2+
　　近年来，有许多利用外部竞争物质调控石墨烯的荧光共振能量转移(FRET)作用，从而构建光学传感器的报道。但是，通过割裂探针直接切断FRET的研究还很少。本章报道了一种新型DNA-石墨烯氧化物(GO)-Fenton混合系统，利用了GO的荧光猝灭能力和羟基自由基(HO·)对DNA探针的选择性割裂作用，实现FRET作用调控，从而建立了一种高灵敏度、高选择性测定Fe2+和HO·的新方法。由于π-π堆积作用，荧光团标记DNA与GO自组装形成复合物，导致荧光团荧光几乎完全猝灭。Fenton试剂生成的HO·可诱导割裂被吸附DNA链，使标记荧光团的DNA碎片从GO表面释放出来，从而恢复荧光。因此，荧光恢复依赖于HO·和Fe2+的浓度。实验表明，增加的荧光强度与Fe2+和HO·的浓度呈正比，线性范围从10nM到1μM，检测限为2.4nM。此外，Fenton-DNA割裂开关还可以用于区分铁元素的价态（如Fe2+和Fe3+）。与传统方法相比，所用DNA不需要修饰巯基、氨基等共价作用基团，从而简化了功能化探针的步骤，并且GO还大大降低了背景信号。该通用策略可潜在扩展应用于检测自由基清除剂，研究新的类Fenton反应，体内ROS的检测和成像，监测割裂酶活性和环境污染物分析等。
　　3.基于还原态石墨烯氧化物模糊逻辑检测G四联体DNA及其裂解试剂
　　G四联体(G4)结构的检测可以有力推动G4结构动态特性的研究，并且有利于发现新型DNA割裂抗癌试剂，构建基于G4构型变化的生物传感器和分子开关。但是，现有的G4结构检测方法，还存在费时、费力、相对昂贵、需要大型仪器等不足。本章结合纳米技术和模糊逻辑理论的优点，发展了一种基于有机染料-rGO复合物的简单、无标记、通用的策略，用于荧光智能检测G4DNA、HO·和Fe2+。利用AO-rGO复合物作为纳米过滤器、纳米开关，结合rGO与不同构型DNA作用力的差异，实现了目标分析物的有效区分和定量检测。实验表明，AO-rGO复合物的荧光强度会随G4DNA的浓度增加而增强，两者呈线性关系，线性范围为16-338 nM，检测限为2.0 nM。而Fenton试剂会重新猝灭G4DNA-AO-rGO复合物的荧光，Fenton试剂浓度与被猝灭荧光的强度呈非线性关系。但是，Fenton试剂浓度以10为底的对数与猝灭的荧光强度呈正比关系，线性范围为两段，分别为0.1-100μM和100-2000μM。此外，还发展了一种基于模糊逻辑的新型智能检测方法，主要是利用了模糊逻辑可以模拟人的推理、解决复杂和非线性问题、以及将数字信号转换为语言描述等特点。该方法未来可应用于生物化学系统、环境检测系统以及分子级模糊逻辑计算系统。
　　4.基于石墨烯化学系统的布尔逻辑树用于分子计算和智能分子搜索查询
　　近年来，使用生物化学分子或者生物元件作为砌块，构建新型人造计算装置的研究引起了人们的广泛兴趣。目前，分子计算装置的构建面临的最严峻问题是如何连接分子事件成为有用的装置。本章中，利用布尔逻辑分析并组织连接石墨烯、有机染料、凝血酶适配体以及Fenton反应等化学事件形成布尔逻辑树。并利用这些化学事件网络执行荧光组合逻辑（包括基本逻辑门和复杂的联合逻辑环路）和模糊逻辑计算。基于布尔逻辑树分析和逻辑计算，这些基本的化学事件可以作为可编程“字符”，化学相互作用作为“语义”逻辑规则，从而可构建分子搜索引擎用于智能分子搜索查询。该方法有利于发展分子级高级逻辑“程序”，未来有望应用于生化传感、纳米技术、载药系统等。
　　5.pH感应分子神经元用于逻辑计算、信息编码和加密
　　脑环路具有强大记忆、联想、推理等功能。为此，许多研究者致力于使用人工分子系统或电子装置来设计神经元类似物。但是，目前还没有提出一个合理的分子神经元模型。本章中，通过使用紫外-可见光吸收、荧光、共振光散射光谱技术研究常用的酸碱指示剂刚果红(CR)染料的pH依赖响应，展示了利用CR如何构建分子神经元以及表现出类神经元行为。所提出的分子神经元模型使用分子基团作为“树突”以接受环境刺激输入（如pH），分子母体作为“胞体”以执行整合功能，光谱性质的变化作为“轴突以产生输出。通过将简单的分子看作McCulloch-Pitts神经元（线性阈值门），可设计实验用于执行大批量并行逻辑计算，并且借助分子神经元内在的超高信息密度进行字符信息编码以及分子加密。实验结果表明，分子可以用作通用人工神经元，并具备环境刺激应答、分子事件模式识别、推理判决等能力。

目录

声明

缩写符号对照表

摘要

第一章 绪论

1．1 逻辑与计算概述

1．1．1 信息和计算的本质

1．1．2 布尔逻辑

1．1．3 模糊逻辑

1．1．4 人工神经计算

参考文献

1．2 分子逻辑与计算系统及其传感分析应用的研究进展

1．2．1 分子信息处理：从感知到逻辑计算

1．2．2 分子布尔逻辑计算系统

参考文献

1．2．3 分子模糊逻辑系统与人工神经计算系统

参考文献

1．2．4 分子逻辑与计算在分析化学中的应用：从逻辑计算到传感

参考文献

1．2．5 纳米逻辑分析系统：石墨烯逻辑传感分析系统的研究进展

参考文献

1．3 本文的主要研究内容及意义

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要研究意义

第二章 基于双功能还原态石墨烯氧化物的荧光纳米开关用于检测汞离子和逻辑门操作

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料与试剂

2．2．2 表征与测定

2．2．3 还原态石墨烯氧化物的制备

2．3 结果与讨论

2．3．1 GO和rGO的表征

2．3．2 AO-rGO复合物的表征及荧光猝灭效率测试

2．3．3 AO-rGO复合物与汞离子的相互作用

2．3．4 汞离子的测定

2．3．5 分子逻辑门操作

2．4 结论

参考文献

第三章 基于Fenton反应诱导DNA裂解实现荧光增强检测羟基自由基和Fe2+

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料和试剂

3．2．2 表征与测定

3．2．3 GO和P1-GO复合物的制备

3．2．4 荧光测定HO·和Fe2+

3．3 结果与讨论

3．3．1 GO和P1-GO复合物的表征

3．3．2 设想验证

3．3．3 荧光检测HO·和Fe2+

3．3．4 水样中Fe2+的测定

3．4 结论

参考文献

第四章 基于还原态石墨烯氧化物模糊逻辑检测G四联体DNA及其裂解试剂

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料与试剂

4．2．2 仪器装置

4．2．3 检测G4结构凝血酶适配体

4．2．4 G4DNA割裂试剂的筛选

4．2．5 模糊逻辑测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 rGO和AO-rGO复合物的表征

4．3．2 荧光定量测定G4DNA、HO·和Fe2+

4．3．3 模糊逻辑检测G4DNA及其割裂试剂

4．3．4 潜在应用

4．4 结论

参考文献

第五章 基于石墨烯化学系统的布尔逻辑树用于分子计算和智能分子搜索查询

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂和材料

5．2．2 石墨烯氧化物和还原态石墨烯氧化物的制备

5．2．3 荧光测量

5．2．4 模糊逻辑分析

5．2．5 原子力显微镜成像

5．2．6 凝胶电泳成像

5．3 结果及讨论

5．3．1 布尔逻辑树的构建与分子计算操作

5．3．2 模糊逻辑操作与智能分子搜索查询

5．4 结论

参考文献

第六章 分子神经元：从传感到逻辑计算、信息编码和加密

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 材料

6．2．2 光谱测量

6．3 结果及讨论

6．3．1 从传感到分子神经元的设计与构建

6．3．2 基于分子线性阈值门的分子逻辑计算

6．3．3 分子神经元用于信息编码和加密

6．4 结论

参考文献

全文总结

致谢

攻读博士学位期间的研究成果