一种免标记奇偶校验器的制备以及在逻辑成像中的应用制造技术

本发明专利技术属于分析化学的分子逻辑门技术领域，涉及一种免标记的荧光DNA逻辑器件的制备以及在细胞成像领域的应用。所述的分子逻辑门是基于DNA单链保护的银纳米簇和氧化石墨烯接触后发生荧光猝灭，杂交形成双链后荧光恢复的原理构建而成的，以银纳米簇的荧光强度相对值作为判断依据，当荧光强度大于0.5时，输出为1，当荧光强度小于0.5时，输出为0。所述分子逻辑门包括XOR型逻辑门和串联的XOR型逻辑门，分别构建出2位和3位的奇偶校验器。我们还将这一系列分子逻辑器件应用于细胞成像领域，首次实现了该逻辑器件的荧光逻辑成像功能，在细胞内生物分子检测、重大疾病的早期诊断方面具有潜在的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种免标记奇偶校验器的制备以及在逻辑成像中的应用
本专利技术涉及一种免标记的DNA奇偶校验器的制备方法以及在生物逻辑成像领域的应用。
技术介绍
电子逻辑门作为集成电路和一些电子装置的基本器件，是电子计算机实现逻辑运算和操作的基础。在过去几十年，电子计算机已经取得了令人瞩目的成就，引领了多次科技革命。电子计算机是以晶体硅作为基底，用多个电子逻辑门串联或者并联组成的，这些电子逻辑门能够将各种信息转变为电信号，来完成数据的存储、提取和运算。最简单的电子逻辑由晶体管组成，当电流通过晶体管时，会产生高电流和低电流信号。这些信号分别代表逻辑运算中的“1”和“0”。通过不同的晶体管组装，可以实现不同电流状态的转换，为电子计算机的运算奠定基础。信息科技的不断发展使人类的生活方式发生了很大变革。科技的发展也对电子计算机提出了更高的要求。其中，电子器件的微型化成为了必然趋势。然而，电子器件的尺寸受制于基本的物理规律和技术性的工艺限制，很难继续向下突破。因此，随着信息科学的不断发展，传统的电子逻辑门终将被分子逻辑门所取代。目前，基于DNA链杂交反应的分子逻辑器件已经得到很多研究人员的关注，也取得了一定的发展。然而，建立基于分子水平的免标记逻辑器件很少，这是由于免标记逻辑器件构建过程复杂造成的。这种免标记逻辑器件对处理器至关重要，但是在分子水平上建立基于某些特定目的的免标记逻辑器件仍然是一个巨大的挑战。因此开发一种基于银纳米簇的免标记的奇偶校验器具有十分重要的意义。另外，我们还首次实现了该奇偶校验器的细胞逻辑成像功能，为分子逻辑器件在细胞内源性分子检测、疾病诊断和临床治疗等方面提供了很好的概念性模型。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供一种基于银纳米簇和氧化石墨烯相互作用的免标记奇偶校验器以及该器件在细胞成像领域的应用模型。这种基于分子逻辑的奇偶校验器是用来检查数据传输和存取过程中是否产生错误的组合逻辑电路。它具有成本低、反应迅速、操作简单等特点。本专利技术是这样实现的，一种用于检验输入信号中“1”的个数分子逻辑器件的合成及在生物逻辑成像中的应用，具体包括以下步骤：a:DNA稳定的银纳米簇的制备：将银纳米簇的模板S-DNA溶解于磷酸钠的缓冲溶液中，加热至90℃退火，然后冷却至室温。将30μMAg+离子加入含有S-DNA的溶液，放置两小时后再加入NaBH4，将Ag+离子还原，避光保存过夜后备用。b:基于银纳米簇和氧化石墨烯的奇偶校验器的构建：我们将100nM的银纳米簇和15μg/mL的氧化石墨烯混合后作为逻辑操作平台。当加入DNA序列(D1、D2和D3)时，记输入为“1”，否则为“0”。根据相对荧光强度值是否大于0.5作为判断依据，当相对荧光强度大于0.5时，输出为“1”，当相对荧光强度小于0.5时，输出为“0”。利用异或门(XOR门)和串联的异或门(XOR门)构建出2位和3位的奇偶校验器。该器件可以检验在数据传输过程中所接受数据的正确性。c：奇偶校验器在细胞逻辑成像中的应用：将银纳米簇和氧化石墨烯的混合液加入甲状腺肿瘤细胞的培养液中孵育30分钟，按照b依次加入构建XOR门需要的DNA序列，用倒置荧光显微镜进行细胞成像操作，发现当奇偶校验器输出为“1”时，荧光强度较高，细胞能够被点亮，当奇偶校验器输出为“0”时，荧光强度较低时，细胞无法被点亮。附图说明图1两位的奇偶校验器构建示意图；图2(A)两位的奇偶校验器逻辑电路。(B)两位的奇偶校验器荧光光谱图。(C)两位数的奇偶校验器相对荧光强度柱状图。(D)两位数的奇偶校验器真值表；图3三位的奇偶校验器构建示意图；图4(A)三位的奇偶校验器的逻辑电路。(B)三位的奇偶校验器荧光光谱图。(C)三位的奇偶校验器相对荧光强度柱状图。(D)三位的奇偶校验器的真值表；图5两位的奇偶校验器在甲状腺肿瘤细胞中的荧光逻辑成像图。具体实施方式以下将结合实施例对本专利技术做进一步说明，本专利技术的实施例仅用于说明本专利技术的技术方案，并非限定本专利技术。实施例1银纳米簇的制备：将5μMS-DNA溶解在Tris-Ac(10mMTris-Ac,pH＝8.0)的缓冲溶液中，然后在90℃下加热10分钟，然后缓慢冷却至室温。然后将30μM的AgNO3加入到5μMS-DNA溶液中，混匀后，将混合溶液在避光下放置2小时，使Ag+离子与C碱基充分作用。最后，向缓冲体系中再次加入30μM的NaBH4溶液，剧烈震荡1分钟。在4℃下避光反应过夜，制得荧光银纳米簇。实施例2基于银纳米簇和氧化石墨烯的奇偶校验器的制备：将100nM的银纳米簇和15μg/mL的氧化石墨烯混合后作为逻辑操作平台。当加入1μM逻辑序列时，记输入为“1”，否则为“0”。根据相对荧光强度是否大于0.5作为判断依据，当相对荧光强度大于0.5时，输出为“1”，当相对荧光强度小于0.5时，输出为“0”。按照附图2和4所示，加入不同组合的输入DNA序列(D1，D2和D3)，可以构建出2位和3位的奇偶校验器。当该器件可以检验所接受数据的正确性。将实施例中制备的奇偶校验器应用于数据的传输和校验以及生物细胞成像，其具体操作方法及结果如下应用实例：应用实例1对两位的二进制数字进行校验：首先，将所有的两位的二进制数字(00，01，10，11)输入逻辑操作平台。当输入(00)时，即不加任何DNA链，银纳米簇会被吸附在氧化石墨烯表面，荧光信号很弱，输出为“0”。当输入(01)时，即加入D2链，由于D2可以和银纳米簇模板DNA(S-DNA)杂交，当二者互补杂交之后，D2和S-DNA形成双链结构，从氧化石墨烯表面脱附，荧光信号恢复，输出为“1”。同理，输入(10)时，即加入D1链，由于D1也可以和银纳米簇模板DNA(S-DNA)杂交，D1和S-DNA结构也可以从氧化石墨烯表面脱附，荧光信号恢复，输出为“1”。最后，输入为(11)时，即同时加入D1和D2链，由于D1和D2本身就可以互补杂交，二者杂交后无法和S-DNA反应，导致银纳米簇仍然被吸附在氧化石墨烯表面，荧光信号熄灭，输出为“0”。结果表明，当存在奇数个1时(01，10)，输出为“1”，相反，当存在偶数个1时(00，11)，输出为“0”，因此，按照本专利技术方法可以成功实现对两位的二进制数字中1的个数的奇偶性校验，从而检查出信息传输和存取过程中是否产生错误。应用实例2对三位的二进制数字进行校验：首先，将所有的三位的二进制数字(000，010，100，110，001，011，101，111)输入逻辑操作平台。当输入(000)时，即不加任何DNA链，银纳米簇会被吸附在氧化石墨烯表面，荧光信号很弱，输出为“0”。当输入(010)时，即加入D2链，由于D2可以和银纳米簇模板DNA(S-DNA)杂交，当二者互补杂交之后，D2和S-DNA形成双链结构，从氧化石墨烯表面脱附，荧光信号恢复，输出为“1”。同理，输入(100)时，即加入D1链，由于D1也可以和银纳米簇模板DNA(S-DNA)杂交，D1和S-DNA结构也可以从氧化石墨烯表面脱附，荧光信号恢复，输出为“1”。当输入为(011)时，即同时加入D1和D2链，由于D1和D2本身就可以互补杂交，二者杂交后无法和S-DNA反应，导致银纳米簇仍然被吸附在氧化石墨烯表面，荧光信号熄灭，输出为“0”。当输入(001本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于银纳米簇和氧化石墨烯相互作用的分子逻辑器件的构建及应用，其特征在于，所述的分子逻辑门是基于银纳米簇和氧化石墨烯接触后发生荧光猝灭，杂交形成双链后荧光恢复的原理构建而成的，以银纳米簇的荧光强度相对值作为判断依据，当荧光强度大于0.5时，输出为1，当荧光强度小于0.5时，输出为0。所述分子逻辑门包括XOR型逻辑门和串联的XOR型逻辑门，分别构建出2位和3位的奇偶校验器。

【技术特征摘要】
1.一种基于银纳米簇和氧化石墨烯相互作用的分子逻辑器件的构建及应用，其特征在于，所述的分子逻辑门是基于银纳米簇和氧化石墨烯接触后发生荧光猝灭，杂交形成双链后荧光恢复的原理构建而成的，以银纳米簇的荧光强度相对值作为判断依据，当荧光强度大于0.5时，输出为1，当荧光强度小于0.5时，输出为0。所述分子逻辑门包括XOR型逻辑门和串联的XOR型逻辑门，分别构建出2位和3位的奇偶校验器。2.如权利要求1所述的XOR型逻辑门和串联的XOR型逻辑门的构建方法，其特征如下：(1)XOR逻辑门：将100nMDNA保护的银纳米簇(S-DNA)和15μg/mL的氧化石墨烯混合15分钟进行组装，作为分子逻辑平台。按照图1所示以DNA链D1和D2作为输入信号，荧光强度作为输出信号构建XOR型逻辑门。(2)串联XOR逻辑门：以(1)中所用的银纳米簇...

【专利技术属性】
技术研发人员：张思奇，韩得满，
申请(专利权)人：台州学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33