一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统技术方案

本实用新型专利技术公开了生物计算机技术领域的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，包括微流控芯片，微流控芯片上分别设有第一输入信号腔室和第二输入信号腔室，第一输入输入信号腔室和第二输入信号腔室之间设有第一微流体通道，第一微流体通道的右端连接有S型通道，S型通道的右侧设有第二微流体通道，第二微流体通道的右端连接有储液腔室；本实用新型专利技术通过设置两组输入信号腔室，能够保证代表两输入信号的DNA溶液分别存放，保证四种输入组合，在微流控芯片上设置了运算系统，能够实现流体的流向控制，提供反应所需的温度，以及检测运算的结果，操作简单，准确度高，将DNA计算与微流控技术相结合，集成度高，运算快速准确。

A Microfluidic XOR Operating System Based on Molecular Beacon DNA

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统
本技术涉及生物计算机
，具体涉及一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统。
技术介绍
作为一种新的分子计算模式，DNA计算以其高度并行性，海量的存储能力，耗能低等优点受到科学家的广泛关注，设计能完成DNA计算功能的生物芯片成为研制DNA分子计算机的关键。逻辑运算是计算机实现运算的基础，是执行复杂运算的抽象布尔代数的基本构件。因此，构建基于DNA分子的逻辑运算芯片是研制DNA计算机的基础。分子信标作为一种特殊结构的DNA分子，一般由环状区、信标茎秆区、荧光基团、淬灭基团构成。在单链情况下，由于荧光基团和淬灭基团的距离很近，荧光基团的能量被淬灭基团吸收，使得分子信标的荧光被淬灭。而当分子信标序列与其靶序列发生杂交反应后，分子信标的发夹结构被打开，荧光基团和淬灭基团分离，分子信标以双链的形式存在并发出荧光。利用分子信标的这一特点，将具有发夹结构的分子信标以及能与其互补杂交的靶序列分别用来表示逻辑电路中的输入信号1和0，而将荧光基团共振能量的转移结果用来表示输出信号，可以将逻辑运算巧妙地映射成为分子信标DNA的杂交反应过程，并通过检测杂交反应物的荧光情况得到运算结果。DNA计算是利用DNA分子的结构和特性将运算映射为DNA分子生化反应的过程，但传统的分子反应存在着所需的实验仪器庞大，操作复杂，样品的消耗量大，反应效率低，反应过程难以控制，实验结果难以检测等问题，导致计算过程缓慢且容易失败。微流控芯片技术是通过微细加工技术在玻璃、硅、PDMS等基片上制备微通道及网络，并研制相应的控制检测系统，将生物化学领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到微米级别的操作环境下进行研究。这一技术不仅显著降低了样品的消耗量，提高了反应效率，降低了实验产生废物对环境的污染；而且集成微流控芯片操作的并行性优势可以实现实验的高通量、自动化控制。目前，微流控芯片多用于生物、化学、医学等领域的检测，将其与信息技术结合用来完成数据处理与运算的并不多见。因此，研制体积小、集成度高、运算快速准确的DNA计算微流控芯片成为关键问题。基于此，本技术设计了一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，以解决上述问题。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，以解决上述
技术介绍
中提出的解决计算过程缓慢且容易失败并实现微流控芯片上的分子逻辑运算的问题。为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，包括微流控芯片，所述微流控芯片上分别设有第一输入信号腔室和第二输入信号腔室，所述第一输入输入信号腔室和第二输入信号腔室之间设有第一微流体通道，所述第一微流体通道的右端连接有S型通道，所述S型通道的右侧设有第二微流体通道，所述第二微流体通道的右端连接有储液腔室，所述储液腔室的右侧设有第三微流体通道，所述第三微流体通道的右端连接有反应腔室，所述反应腔室的右侧设有第四微流体通道，所述第四微流体通道的右端连接有检测腔室；所述反应腔室上连接有温度控制装置；所述检测腔室上连接有荧光检测装置。优选的，所述微流控芯片包括芯片底片和芯片盖片，所述芯片盖片位于芯片底片的上方，所述微流体通道和S型通道、储液腔室、反应腔室和检测腔室均位于芯片底片和芯片盖片之间。优选的，所述第一输入信号腔室和第二输入信号腔室上均设有进样口。优选的，所述第一微流体通道上设有芯片阀，所述芯片阀位于第一输入信号腔室、第二输入信号腔室和S型通道之间，所述第三微流体通道上贯穿设有第一开口，所述第四微流体通道上贯穿设有第三开口。优选的，所述反应腔室上贯穿设有第二开口。优选的，所述检测腔室上贯穿设有第四开口，所述第四开口上设有压力控制器，所述压力控制器分别与第一开口、第三开口和第四开口连接有管路，所述管路上设有阀体，所述阀体为夹管阀，所述压力控制器和管路组成动力系统。优选的，所述荧光检测装置内设有激发光源。优选的，一种基于分子信标DNA的微流控异或运算方法，包括以下步骤：第一：建立异或运算与分子信标DNA的杂交反应过程的映射关系：将输入信号1用具有发夹结构的分子信标表示，输入信号0用能与分子信标互补的靶序列表示；而输出信号采用反应后DNA分子在激发光的照射下是否发出荧光来表示，若产生荧光，表示输出信号为1，若没有荧光产生，表示输出信号为0；第二：通过所述进样口加入代表输入信号的分子信标DNA溶液及其靶序列溶液，并在所述温度控制装置下让其在所述反应腔室进行生化反应；第三：最后通过所述荧光检测装置检测运算结果。与现有技术相比，本技术的有益效果是：1、将逻辑运算映射成为分子信标DNA的生化反应，通过简单的操作即可完成运算功能。2、设置两输入信号腔室，能够保证代表两输入信号的DNA溶液分别存放，保证四种输入组合。3、S型通道能够使输入信号溶液充分混合，且操作简单，使用方便。4、在微流控芯片上设置了一运算系统，能够实现流体的流向控制，提供反应所需的温度，以及检测运算的结果，操作简单，准确度高。5、将DNA计算与微流控技术相结合，设计一种体积小、集成度高、运算快速准确的基于分子信标DNA计算的微流控异或运算系统。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本技术微流控运算芯片的运算系统的结构示意图。图2是本技术微流控芯片的结构示意图。图3是本技术微流控芯片的侧面结构示意图。图4是分子信标DNA杂交反应原理示意图。图5是以分子信标及其靶序列作为输入信号异或门运算原理示意图。图6是本技术微流控异或运算系统在四种输入情况下运算后的荧光强度的检测值。图7是本技术异或运算真值表。附图中，各标号所代表的部件列表如下：1-微流控芯片，2-第一输入信号腔室，3-第二输入信号腔室，4-进样口，501-第一微流体通道，502-第二微流体通道，503-第三微流体通道，504-第四微流体通道，6-芯片阀，7-S型通道，8-储液腔室，9-第一开口，10-反应腔室，11-第二开口，12-第三开口，13-检测腔室，14-第四开口，15-压力控制器，16-阀体，17-温度控制装置，18-荧光检测装置，19-芯片底片，20-芯片盖片。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。请参阅图1-7，本技术提供一种技术方案：一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，包括微流控芯片1，微流控芯片1上分别设有第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3，第一输入输入信号腔室2和第二输入信号腔室3之间设有第一微流体通道501，第一微流体通道501的右端连接有S型通道7，S型通道7的右侧设有第二微流体通道502，第二微流体通道502本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，包括微流控芯片(1)，其特征在于：所述微流控芯片(1)上分别设有第一输入信号腔室(2)和第二输入信号腔室(3)，所述第一输入输入信号腔室(2)和第二输入信号腔室(3)之间设有第一微流体通道(501)，所述第一微流体通道(501)的右端连接有S型通道(7)，所述S型通道(7)的右侧设有第二微流体通道(502)，所述第二微流体通道(502)的右端连接有储液腔室(8)，所述储液腔室(8)的右侧设有第三微流体通道(503)，所述第三微流体通道(503)的右端连接有反应腔室(10)，所述反应腔室(10)的右侧设有第四微流体通道(504)，所述第四微流体通道(504)的右端连接有检测腔室(13)；所述反应腔室(10)上连接有温度控制装置(17)；所述检测腔室(13)上连接有荧光检测装置(18)。

【技术特征摘要】
1.一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，包括微流控芯片(1)，其特征在于：所述微流控芯片(1)上分别设有第一输入信号腔室(2)和第二输入信号腔室(3)，所述第一输入输入信号腔室(2)和第二输入信号腔室(3)之间设有第一微流体通道(501)，所述第一微流体通道(501)的右端连接有S型通道(7)，所述S型通道(7)的右侧设有第二微流体通道(502)，所述第二微流体通道(502)的右端连接有储液腔室(8)，所述储液腔室(8)的右侧设有第三微流体通道(503)，所述第三微流体通道(503)的右端连接有反应腔室(10)，所述反应腔室(10)的右侧设有第四微流体通道(504)，所述第四微流体通道(504)的右端连接有检测腔室(13)；所述反应腔室(10)上连接有温度控制装置(17)；所述检测腔室(13)上连接有荧光检测装置(18)。2.根据权利要求1所述的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，其特征在于：所述微流控芯片(1)包括芯片底片(19)和芯片盖片(20)，所述芯片盖片(20)位于芯片底片(19)的上方，所述微流体通道(5)和S型通道(7)、储液腔室(8)、反应腔室(10)和检测腔室(13)均位于芯片底片(19)和芯片盖片(20)之间。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王静，
申请(专利权)人：安徽大学，阜阳师范学院，
类型：新型
国别省市：安徽,34