以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台制造技术

一种以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，包括：信号发送端、DNA分子通信信道和信号接收端，其中：位于信号发送端的电控DNA信息分子发射器将宏观电信号转换为微观DNA信号，带信息的DNA分子在DNA分子通信信道中通过自由扩散的方式传播至信号接收端，位于信号接收端的DNA信息分子接收器将收到的微观DNA信息分子转化为宏观电信号并输出。本发明专利技术以微观DNA化学分子为信息载体，利用层层自组装技术和电化学原理，将宏观电信号转化为微观化学分子信号，再从微观化学分子信号转化为宏观电信号。号。号。

【技术实现步骤摘要】
以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台


[0001]本专利技术涉及的是一种人工分子通信领域的技术，具体是一种纳米机器网络中以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，可应用于在液体环境中的纳米机器通信，实现纳米机器之间的信息传递。

技术介绍

[0002]由于人工分子通信的重要性，自提出以来，受到了相关领域学者的密切关注，发展迅速，目前已经成为纳米网络通信中非常重要的研究方向。而人工分子通信目前的研究主要集中在理论方面，缺少实验方面的研究验证，尤其缺少最基本的面向纳米网络的微观分子通信平台的实验研究，阻碍了分子通信领域的发展。
[0003]现有的分子通信系统需要事先构建对应的高分子材料路径、配置路径上的信息载体分子，系统环境需要配置驱动信息载体分子移动的能源(ATP)，系统搭建成本高，复杂度高，应用场景较为局限；需要使用限制性内切酶对信息分子进行处理，再通过纳米孔技术测序技术对传输的DNA信息分子进行信息解码，需要在特定的环境下实现，操作复杂，成本高。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，以微观DNA化学分子为信息载体，利用层层自组装技术和电化学原理，将宏观电信号转化为微观化学分子信号，再从微观化学分子信号转化为宏观电信号。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术涉及一种以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，包括：位于发送端的电控DNA信息分子发射器、DNA分子通信信道和位于接收端的DNA信息分子接收器，其中：电控DNA信息分子发射器将宏观电信号转换为微观DNA信号，携带信息的DNA分子在DNA分子通信信道中通过自由扩散的方式传播至接收端，DNA信息分子接收器将收到的微观DNA信息分子中承载的信息转化为宏观电信号并输出。
[0007]所述的电控DNA信息分子发射器包括：金薄膜电极和多层膜，其中：金薄膜电极根据施加在电极上的电压信号大小，通过控制电极表面多层膜的分解，进而控制DNA信息分子的释放量。
[0008]所述的金薄膜电极，优选为石英玻璃上溅射3～5nm厚度的金制成且该电极大小为22
ꢀ×
22mm。
[0009]所述的多层膜，优选为表面修饰的(DNA/Zr
4+
)
n
多层膜，进一步优选为10层结构。
[0010]所述的电控DNA信息分子发射器，使用层层自组装技术制备得到，即通过在电极表面修饰一层阴离子聚电解质后，将电极交替浸入阳离子聚电解质溶液与DNA溶液(在交替浸入两种溶液之间对电极清洗)，使得DNA分子和阳离子在电极表面通过交替吸附自组装形成多层膜结构。
[0011]所述的浸入阳离子聚电解质溶液和浸入DNA溶液的时间均为10分钟。
[0012]所述的DNA分子通信信道，采用但不限于中性的电解质溶液实现，优选为pH为7.0的 NaCl溶液。
[0013]所述的DNA信息分子接收器包括：金薄膜电极和修饰在电极表面的DNA探针以及电化学工作站，其中：DNA探针通过互补配对捕获环境中的DNA信息分子并结合形成双链，从而改变金薄膜电极的阻抗大小，电化学工作站通过交流阻抗谱检测DNA信息分子接收器的阻抗，与原先的阻抗进行对比，得到阻抗变化量ΔZ，根据ΔZ的大小判断是否检测到DNA信息分子。
[0014]所述的金薄膜电极的尺寸优选为11
×
11mm。
[0015]所述的阻抗变化量ΔZ，当ΔZ变化量大于10％时为DNA信息分子接收器检测到DNA信息分子，输出信号。
[0016]所述的DNA信息分子接收器，通过层层自组装技术制备得到，即将与DNA信息分子互补的DNA作为探针修饰到电极表面形成自组装单层膜，利用电化学原理从DNA分子通信信道中捕获互补配对的微观DNA信息分子并将其数量解调为宏观电压信号输出。
[0017]本专利技术涉及一种基于上述平台的分子通信方法，通过信号输入设备将需要传输的信息通过给定的编码方式编码为宏观电信号并由电控DNA信息分子发射器调制为微观DNA信息分子的数量释放到DNA分子通信信道并传输至接收端；DNA信息分子接收器通过互补配对原理，利用探针捕获到达的微观DNA信息分子，并通过电化学原理将捕获的微观DNA信息分子数量解调为宏观电信号，通过信号输出设备解码并输出信息。技术效果
[0018]本专利技术使用单链DNA作为信息分子，利用DNA链上的A、T、C、G的组合来进行信息编码，使得单个DNA分子可以承载高密度的信息，使用电化学方法实现信号的接收与检测，与现有技术相比，系统的复杂度更低。相比于现有技术，本技术的改进在于：1)使用中性的NaCl 电解质溶液作为信道适用于更多的应用场景；2)信息分子在传输过程中通过自由扩散机制从系统发射端向系统接收端传播，不需要专门搭建特制的信息传输信道，也不需要专门给信息分子的移动添加能量来源，系统复杂度低，成本低，功耗小。
附图说明
[0019]图1为本专利技术系统示意图；
[0020]图2为实施例释放DNA信息分子的过程示意图；
[0021]图3为实施例数字信息序列产生示意图；
[0022]图中：1信号发送端、2DNA分子通信信道、3信号接收端、4信号输入设备、5电控 DNA分子发射器、6信号输出设备、7DNA分子信号接收器。
具体实施方式
[0023]如图1所示，为本实施例涉及一种以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，包括：依次相连的信号发送端1、DNA分子通信信道2和信号接收端3。
[0024]所述的信号发送端1包括：信号输入设备4和电控DNA分子发射器5。
[0025]所述的信号接收端3包括：信号输出设备6和DNA分子信号接收器7。
[0026]本实施例涉及一种基于上述平台的分子通信方法，以发送二进制信号为例，信号
输入设备4将”0”和”1”组成的二进制信号转化为高低电压序列施加到电控DNA分子发射器5上，其中，高电压表示”1”信号，零电压表示”0”信号。每个高电压信号或低电压信号都只作用在一个信号周期内。电控DNA分子发射器5根据接收到的电压信号，控制DNA信息分子的释放，高电压信号释放一定数目的DNA信息分子，零电压信号则不释放DNA信息分子。
[0027]电控DNA分子发射器5释放DNA信息分子的过程如图2所示，高电压信号施加到金薄膜电极上后，发生电化学反应，通过控制电极表面(DNA/Zr
4+
)
n
多层膜的分解来控制DNA信息分子的释放量。信号发送端1释放的DNA信息分子进入DNA分子通信信道2以自由扩散的形式传播，从浓度高的信号发送端1向浓度低的信号接收端3扩散。
[0028]如图3所示，当DNA信息分子到达信号接收端3后，DNA分子信号接收器7上的与DNA 信息分子互补配对的探针与DNA信息分子互补配对，通过电化学原理，信号输出设备6将DNA 分子信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，其特征在于，包括：位于发送端的电控DNA信息分子发射器、DNA分子通信信道和位于接收端的DNA信息分子接收器，其中：电控DNA信息分子发射器将宏观电信号转换为微观DNA信号，携带信息的DNA分子在DNA分子通信信道中通过自由扩散的方式传播至接收端，DNA信息分子接收器将收到的微观DNA信息分子中承载的信息转化为宏观电信号并输出。2.根据权利要求1所述的以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，其特征是，所述的电控DNA信息分子发射器包括：金薄膜电极和多层膜，其中：金薄膜电极根据施加在电极上的电压信号大小，通过控制电极表面多层膜的分解，进而控制DNA信息分子的释放量。3.根据权利要求2所述的以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，其特征是，所述的金薄膜电极，为石英玻璃上溅射3～5nm厚度的金制成且该电极大小为22
×
22mm。4.根据权利要求2所述的以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，其特征是，所述的多层膜，为表面修饰的(DNA/Zr
4+
)
n
10层结构膜。5.根据权利要求1～4中任一所述的以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，其特征是，所述的电控DNA信息分子发射器，使用层层自组装技术制备得到，即通过在电极表面修饰一层阴离子聚电解质后，将电极交替浸入阳离子聚电解质溶液与DNA溶液，使得DNA分子和阳离子在电极表面通过交替吸附自组装形成多层膜结构。6.根据权利要求5所述的以DNA分子为信息载体的人工分子通信平台，其特征是，所述的浸入阳离子聚电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫浩，黄富鹏，宋杰，郅晓，杨玉婷，林林，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：