基于链置换的立方根双轨逻辑电路及生化电路实现方法技术

本发明专利技术提出了一种基于链置换的立方根双轨逻辑电路及生化电路实现方法，基于数字电路理论，构建了五输入的立方根操作运算系统的数字逻辑电路，其次，运用双轨逻辑思想将五输入逻辑电路转化成十输入立方根双轨逻辑电路，然后，基于DNA链置换的反应机制，将双轨逻辑电路转化成由DNA链组成的跷跷板生化逻辑电路，最后通过Visual DSD仿真软件验证其输出结果。仿真结果显示，本发明专利技术的五输入立方根双轨逻辑电路设计是有效的，且具有较高的准确性以及灵敏度。本发明专利技术对于将来大规模的智能化运算操作系统的设计提供了的理论基础，提高生物计算机逻辑电路的可靠性，促进了生物计算机的发展。

【技术实现步骤摘要】
基于链置换的立方根双轨逻辑电路及生化电路实现方法
本专利技术涉及逻辑电路的
，尤其涉及一种基于链置换的立方根双轨逻辑电路及生化电路实现方法。
技术介绍
在当前快速发展的计算机时代，随着电子技术的发展，传统的集成电路的发展越来越受到技术容许的限制，超大规模的集成电路的研究面临着诸多挑战，如：散热、功耗、成本、工艺偏差和更严格的设计规律等一系列挑战，这些限制挑战迫使人们去寻找新的计算模式，人们开始致力于研究纳米级计算机。立方根运算是一种基础的数学运算方式，可以与其它运算方式相结合去解决更复杂的数学问题，对立方根逻辑电路的研究具有相当的实用性价值。由于Watson-Crick碱基互补配对原理的可编程性和特异性，使DNA成为构建具有多样功能和复杂性的纳米级设备的主要材料，设计和操纵合成DNA分子的新技术使得构建越来越复杂的生物设备成为可能。DNA计算是包含计算机科学和分子生物学的新领域，包括多种生物分子技术，如：自组装技术、DNA链置换反应和探针机等。DNA链置换技术由于其本身具有的一系列自发性、灵敏性以及准确性的特点，被广泛地应用到逻辑电路、纳米医学、分子器件、纳米网络等等领域。近年来，生物计算机已被许多来自不同领域的科学家广泛关注，而且分子逻辑电路又是生物计算机的重要组成部分。因此，逻辑电路的构建在生物计算机中起着重要的作用。DNA链置换级联反应实现了相邻模块之间的动态连接，使得研究人员构建大规模、复杂的逻辑电路成为可能。此外，DNA链置换技术凭借高容量信息积累、高性能并行计算、编程以及仿真的优势，已经在分子计算、纳米机器、诊断和疾病治疗领域得到了深入的研究。DNA链置换技术在解决一些数学问题、管理纳米机器等方面发挥着巨大的作用，如：时间延迟电路、可编程的纳米级载货设备等。另外，基于DNA链置换的生物化学逻辑电路的构建对设计程序的掌握也具有重要的研究意义。基于DNA链置换技术的策略，一方面可以深入理解、探索生物分子系统的信息处理机制，另一方面，将有可能在生物分子系统与解决问题、处理信息之间建造桥梁，开启通往生物底层空间的接口。而且DNA链置换技术在智能刺激响应材料、纳米电子电路和器件、生物传感器和纳米医学等领域具有很大的应用前景。
技术实现思路
为了推进生物计算机的发展，本专利技术提出一种基于链置换的立方根双轨逻辑电路及跷跷板生化电路实现方法，先设计出立方根数字逻辑电路，然后利用双轨的逻辑思想将立方根数字逻辑电路转化成立方根双轨逻辑电路，最后将双轨逻辑电路转化为生化逻辑电路，并用VisualDSD仿真软件分析了立方根双轨逻辑电路的正确性，本专利技术具有很高的灵敏度和可靠性。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于链置换的立方根双轨逻辑电路，包括五个输入链X5X4X3X2X1、放大门、集成门、第一DNA阈值门、第二DNA阈值门、第三DNA阈值门和两个输出链Y2Y1，每个输入链都具有两种状态，表示逻辑“开”的状态为X51、X41、X31、X21和X11，表示逻辑“关”的状态为X50、X40、X30、X20、X10；每个输出链都具有两种状态，表示逻辑“开”的状态为Y21和Y11，表示逻辑“关”的状态为Y20和Y10；所述放大门中设有阈值并有多个输出信号，输入信号的总浓度大于阈值浓度时，获得输出浓度信号1nmol/L，否则输出浓度信号为0nmol/L，放大门包括具有一个输入二个输出的第一放大门、一个输入三个输出的第二放大门和一个输入四个输出的第三放大门；所述集成门包括二个输入一个输出的二输入集成门与三个输入和一个输出的三输入集成门；所述第一DNA阈值门的阈值浓度小于1nmol/L，第二DNA阈值门和第三DNA阈值门的阈值浓度大于1nmol/L；所述输入链X5X4X3X2X1的状态X51、X41、X31、X21、X11和X50、X40、X30、X20、X10作为输入信号分别与放大门相连接，放大门的输出端分别通过DNA信号与不同的集成门相连接，不同的集成门分别通过第一DNA阈值门、第二DNA阈值门或第三DNA阈值门与不同的二输入集成门或三输入集成门相连接，与三输入集成门连接的第一DNA阈值门通过二输入集成门、第一DNA阈值门与二输入集成门相连接，与三输入集成门连接的第三DNA阈值门通过二输入集成门、第二DNA阈值门与二输入集成门相连接，两个二输入集成门通过第一DNA阈值门分别得到输出信号Y10和Y20，两个二输入集成门通过第二DNA阈值门分别得到输出信号Y11和Y21。所述放大门包括具有一个输入二个输出的第一放大门、一个输入三个输出的第二放大门和一个输入四个输出的第三放大门；所述第二DNA阈值门的阈值浓度大于1nmol/L小于2nmol/L，第三DNA阈值门的阈值浓度大于2nmol/L小于3nmol/L。输入信号X10与第二放大门Ⅰ相连接，输入信号X11与第二放大门Ⅱ相连接，输入信号X20与第三放大门Ⅲ相连接，输入信号X21与第三放大门Ⅳ相连接，输入信号X30与第一放大门Ⅴ相连接，输入信号X31与第一放大门Ⅵ相连接，输入信号X40与第二放大门Ⅶ相连接，输入信号X41与第二放大门Ⅷ相连接，输入信号X50与第三放大门Ⅸ相连接，输入信号X51与第三放大门Ⅹ相连接；第二放大门Ⅰ的第一输出端和第三放大门Ⅵ的第一输出端均与二输入集成门Ⅰ相连接，第二放大门Ⅱ的第一输出端和第一放大门Ⅴ的第一输出端均与二输入集成门Ⅱ相连接，第三放大门Ⅲ的第一输出端、第二放大门Ⅶ的第一输出端和第三放大门Ⅸ的第一输出端均与三输入集成门Ⅲ相连接，第三放大门Ⅳ的第一输出端、第二放大门Ⅷ的第一输出端和第三放大门Ⅹ的第一输出端均与三输入集成门Ⅳ相连接，第三放大门Ⅳ的第二输出端、第二放大门Ⅷ的第二输出端和第三放大门Ⅹ的第二输出端均与三输入集成门Ⅴ相连接，第三放大门Ⅲ的第二输出端、第二放大门Ⅶ的第二输出端和第三放大门Ⅸ的第二输出端均与三输入集成门Ⅵ相连接，第一放大门Ⅵ的第二输出端和第二放大门Ⅶ的第三输出端均与二输入集成门Ⅶ相连接，第一放大门Ⅴ的第二输出端和第二放大门Ⅷ的第三输出端均与二输入集成门Ⅷ相连接，第三放大门Ⅹ的第三输出端、第三放大门Ⅳ的第三输出端和第二放大门Ⅱ的第二输出端均与三输入集成门Ⅸ相连接，第三放大门Ⅸ的第三输出端、第三放大门Ⅲ的第三输出端和第三放大门Ⅰ的第二输出端均与三输入集成门Ⅹ相连接，第三放大门Ⅸ的第四输出端、第三放大门Ⅲ的第四输出端和第二放大门Ⅰ的第三输出端均与三输入集成门Ⅺ相连接，第三放大门Ⅳ的第四输出端、第二放大门Ⅱ的第三输出端和第三放大门Ⅹ的第四输出端均与三输入集成门Ⅻ相连接；所述三输入集成门Ⅳ与三输入集成门Ⅵ均通过第三DNA阈值门与二输入集合门ⅩⅢ相连接，三输入集成门Ⅲ与三输入集成门Ⅴ均通过第一DNA阈值门与二输入集合门ⅩⅣ相连接，三输入集成门Ⅹ与三输入集成门Ⅻ均通过第三DNA阈值门与二输入集合门ⅩⅤ相连接，三输入集成门Ⅸ与三输入集成门Ⅺ均通过第一DNA阈值门与二输入集合门ⅩⅥ相连接；二输入集成门Ⅰ通过第一DNA阈值门和二输入集成门ⅩⅣ通过第二DNA阈值门均与二输入集成门ⅩⅦ相连接，二输入集成门Ⅱ通过第二DNA阈值门和二输入集成门ⅩⅢ通过第一DNA阈值门均与二输入集成门ⅩⅧ相连接，二输入集成门Ⅶ通过第一DNA阈值门和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于链置换的立方根双轨逻辑电路，其特征在于，包括五个输入链X5X4X3X2X1、放大门、集成门、第一DNA阈值门、第二DNA阈值门、第三DNA阈值门和两个输出链Y2Y1，每个输入链都具有两种状态，表示逻辑“开”的状态为X51、X41、X31、X21和X11，表示逻辑“关”的状态为X50、X40、X30、X20、X10；每个输出链都具有两种状态，表示逻辑“开”的状态为Y21和Y11，表示逻辑“关”的状态为Y20和Y10；所述放大门中设有阈值并有多个输出信号，输入信号的总浓度大于阈值浓度时，获得输出浓度信号1n mol/L，否则输出浓度信号为0n mol/L，放大门包括具有一个输入二个输出的第一放大门、一个输入三个输出的第二放大门和一个输入四个输出的第三放大门；所述集成门包括二个输入一个输出的二输入集成门与三个输入和一个输出的三输入集成门；所述第一DNA阈值门的阈值浓度小于1n mol/L，第二DNA阈值门和第三DNA阈值门的阈值浓度大于1n mol/L；所述输入链X5X4X3X2X1的状态X51、X41、X31、X21、X11和X50、X40、X30、X20、X10作为输入信号分别与放大门相连接，放大门的输出端分别通过DNA信号与不同的集成门相连接，不同的集成门分别通过第一DNA阈值门、第二DNA阈值门或第三DNA阈值门与不同的二输入集成门或三输入集成门相连接，与三输入集成门连接的第一DNA阈值门通过二输入集成门、第一DNA阈值门与二输入集成门相连接，与三输入集成门连接的第三DNA阈值门通过二输入集成门、第二DNA阈值门与二输入集成门相连接，两个二输入集成门通过第一DNA阈值门分别得到输出信号Y10和Y20，两个二输入集成门通过第二DNA阈值门分别得到输出信号Y11和Y21。...

【技术特征摘要】
1.一种基于链置换的立方根双轨逻辑电路，其特征在于，包括五个输入链X5X4X3X2X1、放大门、集成门、第一DNA阈值门、第二DNA阈值门、第三DNA阈值门和两个输出链Y2Y1，每个输入链都具有两种状态，表示逻辑“开”的状态为X51、X41、X31、X21和X11，表示逻辑“关”的状态为X50、X40、X30、X20、X10；每个输出链都具有两种状态，表示逻辑“开”的状态为Y21和Y11，表示逻辑“关”的状态为Y20和Y10；所述放大门中设有阈值并有多个输出信号，输入信号的总浓度大于阈值浓度时，获得输出浓度信号1nmol/L，否则输出浓度信号为0nmol/L，放大门包括具有一个输入二个输出的第一放大门、一个输入三个输出的第二放大门和一个输入四个输出的第三放大门；所述集成门包括二个输入一个输出的二输入集成门与三个输入和一个输出的三输入集成门；所述第一DNA阈值门的阈值浓度小于1nmol/L，第二DNA阈值门和第三DNA阈值门的阈值浓度大于1nmol/L；所述输入链X5X4X3X2X1的状态X51、X41、X31、X21、X11和X50、X40、X30、X20、X10作为输入信号分别与放大门相连接，放大门的输出端分别通过DNA信号与不同的集成门相连接，不同的集成门分别通过第一DNA阈值门、第二DNA阈值门或第三DNA阈值门与不同的二输入集成门或三输入集成门相连接，与三输入集成门连接的第一DNA阈值门通过二输入集成门、第一DNA阈值门与二输入集成门相连接，与三输入集成门连接的第三DNA阈值门通过二输入集成门、第二DNA阈值门与二输入集成门相连接，两个二输入集成门通过第一DNA阈值门分别得到输出信号Y10和Y20，两个二输入集成门通过第二DNA阈值门分别得到输出信号Y11和Y21。2.根据权利要求1所述的基于链置换的立方根双轨逻辑电路，其特征在于，所述放大门包括具有一个输入二个输出的第一放大门、一个输入三个输出的第二放大门和一个输入四个输出的第三放大门；所述第二DNA阈值门的阈值浓度大于1nmol/L小于2nmol/L，第三DNA阈值门的阈值浓度大于2nmol/L小于3nmol/L。3.根据权利要求2所述的基于链置换的立方根双轨逻辑电路其特征在于，输入信号X10与第二放大门Ⅰ相连接，输入信号X11与第二放大门Ⅱ相连接，输入信号X20与第三放大门Ⅲ相连接，输入信号X21与第三放大门Ⅳ相连接，输入信号X30与第一放大门Ⅴ相连接，输入信号X31与第一放大门Ⅵ相连接，输入信号X40与第二放大门Ⅶ相连接，输入信号X41与第二放大门Ⅷ相连接，输入信号X50与第三放大门Ⅸ相连接，输入信号X51与第三放大门Ⅹ相连接；第二放大门Ⅰ的第一输出端和第三放大门Ⅵ的第一输出端均与二输入集成门Ⅰ相连接，第二放大门Ⅱ的第一输出端和第一放大门Ⅴ的第一输出端均与二输入集成门Ⅱ相连接，第三放大门Ⅲ的第一输出端、第二放大门Ⅶ的第一输出端和第三放大门Ⅸ的第一输出端均与三输入集成门Ⅲ相连接，第三放大门Ⅳ的第一输出端、第二放大门Ⅷ的第一输出端和第三放大门Ⅹ的第一输出端均与三输入集成门Ⅳ相连接，第三放大门Ⅳ的第二输出端、第二放大门Ⅷ的第二输出端和第三放大门Ⅹ的第二输出端均与三输入集成门Ⅴ相连接，第三放大门Ⅲ的第二输出端、第二放大门Ⅶ的第二输出端和第三放大门Ⅸ的第二输出端均与三输入集成门Ⅵ相连接，第一放大门Ⅵ的第二输出端和第二放大门Ⅶ的第三输出端均与二输入集成门Ⅶ相连接，第一放大门Ⅴ的第二输出端和第二放大门Ⅷ的第三输出端均与二输入集成门Ⅷ相连接，第三放大门Ⅹ的第三输出端、第三放大门Ⅳ的第三输出端和第二放大门Ⅱ的第二输出端均与三输入集成门Ⅸ相连接，第三放大门Ⅸ的第三输出端、第三放大门Ⅲ的第三输出端和第三放大门Ⅰ的第二输出端均与三输入集成门Ⅹ相连接，第三放大门Ⅸ的第四输出端、第三放大门Ⅲ的第四输出端和第二放大门Ⅰ的第三输出端均与三输入集成门Ⅺ相连接，第三放大门Ⅳ的第四输出端、第二放大门Ⅱ的第三输出端和第三放大门Ⅹ的第四输出端均与三输入集成门Ⅻ相连接；所述三输入集成门Ⅳ与三输入集成门Ⅵ均通过第三DNA阈值门与二输入集合门ⅩⅢ相连接，三输入集成门Ⅲ与三输入集成门Ⅴ均通过第一DNA阈值门与二输入集合门ⅩⅣ相连接，三输入集成门Ⅹ与三输入集成门Ⅻ均通过第三DNA阈值门与二输入集合门ⅩⅤ相连接，三输入集成门Ⅸ与三输入集成门Ⅺ均通过第一DNA阈值门与二输入集合门ⅩⅥ相连接；二输入集成门Ⅰ通过第一DNA阈值门和二输入集成门ⅩⅣ通过第二DNA阈值门均与二输入集成门ⅩⅦ相连接，二输入集成门Ⅱ通过第二DNA阈值门和二输入集成门ⅩⅢ通过第一DNA阈值门均与二输入集成门ⅩⅧ相连接，二输入集成门Ⅶ通过第一DNA阈值门和二输入集成门ⅩⅥ通过第二DNA阈值门均与二输入集成门ⅩⅨ相连接，二输入集成门Ⅷ通过第二DNA阈值门和二输入集成门ⅩⅤ通过第一DNA阈值门均与二输入集成门ⅩⅩ相连接，二输入集成门ⅩⅦ与一个第一DNA阈值门相连接，从而获得输出信号Y10；二输入集成门ⅩⅧ与一个第二DNA阈值门相连接，从而获得输出信号Y11；二输入集成门ⅩⅨ与一个第一DNA阈值门相连接，从而获得输出信号Y20；二输入集成门ⅩⅩ与第二DNA阈值门相连接，从而获得输出信号Y21。4.根据权利要求3所述的基于链置换的立方根双轨逻辑电路，其特征在于，所述输出信号Y21、Y20、Y11和Y10的输出端均设有一个报告门链，报告门链为半圆形结构，半圆形内设有表示相对浓度的数字，报告门链通过其所携带的荧光团的强度和浓度来显示输出链的浓度。5.根据权利要求2所述的基于链置换的立方根双轨逻辑电路，其特征在于，所述放大门中燃料的初始浓度为输出信号绑定浓度的两倍，放大门的阈值浓度设定为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王延峰，孙军伟，王英聪，黄春，王盼如，方洁，崔光照，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41