以DNA為模板的銀納米簇?zé)晒鈾z測及邏輯門的構(gòu)建

肖周銳, 黃東華, 邊孟孟, 袁亞利, 聶瑾芳

(桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院, 桂林 541004)

金屬納米簇是由幾個(gè)或幾十個(gè)金屬原子聚集在一起形成的納米顆粒, 其大小與費(fèi)米波長大致相等, 在一定的激發(fā)條件下可產(chǎn)生能級分離并發(fā)出熒光[1～3]. 銀納米簇(Ag NCs)相對于其它材料, 具有合成方法簡單、 熒光發(fā)射波長可調(diào)及不易發(fā)生團(tuán)聚等優(yōu)點(diǎn)[4,5], 是納米團(tuán)簇研究領(lǐng)域中具有發(fā)展前景的材料之一. 目前, 銀納米簇的合成主要以模板作輔助, 模板包括聚氨基胺樹狀大分子、 小分子化合物、 蛋白質(zhì)和DNA等[6,7]. 由于合成方便和設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn), DNA成為最常用的合成模板, 用以制備單鏈[8～13]和雙鏈DNA保護(hù)的銀納米簇(DNA-Ag NCs)[14,15]. DNA-Ag NCs的性質(zhì)受到不同DNA長度和序列的影響, 通過設(shè)計(jì)特定序列, 可以合成熒光量子產(chǎn)率高、 穩(wěn)定性好的DNA-Ag NCs[16]. DNA-Ag NCs已成為一種新型熒光納米探針, 被用于重金屬離子、 DNA、 蛋白質(zhì)和有機(jī)分子的檢測以及生物成像等方面[17].

常見的邏輯門主要有2種: 一種是單輸入邏輯門, 如“YES”門、 “NOT”門; 另一種是多輸入邏輯門, 如“AND”門、 “OR”門、 “NAND”門、 “XOR”門和“NOR”門等[18]. 近幾十年來, 布爾邏輯在分子尺度上的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注. 分子邏輯門是在分子開關(guān)研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 操作對象是分子. 化學(xué)或生物反應(yīng)類似于電子邏輯運(yùn)算, 底物分子受到物理或化學(xué)反應(yīng)的刺激, 然后反應(yīng)得到產(chǎn)物分子. 這個(gè)過程可以看作是接收輸入信息, 執(zhí)行邏輯操作, 然后導(dǎo)出算術(shù)結(jié)果[19]. 自然界的許多物理和化學(xué)過程均包含豐富的信息處理機(jī)制, 通過提取相應(yīng)的計(jì)算模型, 可以用分子模擬電子計(jì)算的邏輯門. 邏輯門在信號檢測中具有廣泛應(yīng)用, 如基于單鏈置換的邏輯門[20,21]、 基于G-四鏈體的DNA邏輯門[22]、 基于DNA酶的邏輯門[23]、 基于石墨烯的邏輯門[24～26]和基于DNA折紙的邏輯門[27]等.

本文以DNA為模板, 制備了具有熒光性質(zhì)的DNA-Ag NCs. 因DNA可與多種離子發(fā)生不同的相互作用, 導(dǎo)致DNA-Ag NCs的熒光發(fā)生相應(yīng)變化. 基于此現(xiàn)象, 可對離子進(jìn)行分析檢測. 因?yàn)樵撎结樋梢詫?種及以上外界刺激作出熒光響應(yīng), 通過對輸入和輸出信號“1”和“0”的定義, 可以對1種或多種外界刺激的組合進(jìn)行二進(jìn)制邏輯運(yùn)算, 構(gòu)建DNA-Ag NCs熒光檢測的邏輯門. 本文引入的不同輸入及其組合顯著提升了基于DNA-Ag NCs邏輯門的復(fù)雜程度, 證明了通過信號誘導(dǎo), 化學(xué)信息可以在邏輯門間進(jìn)行轉(zhuǎn)移和傳輸, 顯示出較好的光學(xué)記錄和加密潛力, 為構(gòu)建新的分子器件提供了可能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

硼氫化鈉(西隴科學(xué)股份有限公司); 檸檬酸三鈉和檸檬酸(西隴化工廠有限公司); 硝酸銀、 磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉(西隴化工股份有限公司); DNA序列: 5′-CCCTCTTAACCC-3′(上海生工生物工程股份有限公司); 所用試劑和溶劑均為分析純, 實(shí)驗(yàn)用水為超純水.

TU-1901型紫外-可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司); NEXUS 470型傅立葉變換紅外光譜儀(美國Nicolet公司); F7000型熒光分光光度計(jì)(日本日立公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 DNA-Ag NCs的合成 參照文獻(xiàn)[6]方法, 取用40 mmol/L檸檬酸鈉緩沖溶液(pH=5.0)配制的25 μL 200 μmol/L DNA溶液, 加入30 μL 1 mmol/L的硝酸銀溶液(Ag+/DNA摩爾比為6∶1). 將該混合溶液置于暗處冰浴下反應(yīng)15 min后, 加入15 μL 2 mmol/L硼氫化鈉溶液, 再次于暗處快速攪拌反應(yīng)15 min. 將產(chǎn)物在截留(分子量3000)超濾離心管中于13500 r/min轉(zhuǎn)速下離心40 min, 用450 μL檸檬酸鈉緩沖溶液洗滌, 重復(fù)3次, 即得純化后的DNA-Ag NCs, 將其放入4 ℃冰箱中保存.

1.2.2 DNA-Ag NCs的熒光量子產(chǎn)率(Φ)測定 以熒光素-NaOH溶液(0.1 mol/L)為標(biāo)準(zhǔn)溶液(Φ=95%), 分別測定一定濃度的熒光素溶液和DNA-Ag NCs溶液的吸光度(A≤0.05). 在熒光光譜儀上以448 nm激發(fā)波長掃描發(fā)射光譜圖, 求出積分面積. 根據(jù)下式計(jì)算DNA-Ag NCs的量子產(chǎn)率:

Фx=Фf×Sx×Af×ηx2/(Sf×Ax×ηf2)

式中:x代表待測的DNA-Ag NCs溶液; f代表已知的熒光素標(biāo)準(zhǔn)溶液; Ф為熒光量子產(chǎn)率;S為熒光光譜中發(fā)射光譜的積分面積;A為紫外分光光度計(jì)測得的吸光度;η為溶劑的折射率, 其中熒光素-NaOH(0.1 mol/L)溶液的折射率ηf為1.33, DNA-Ag NCs水溶液的折射率ηx近似1.33. 計(jì)算得到DNA-Ag NCs的熒光量子產(chǎn)率為24%, 符合參考文獻(xiàn)[6]報(bào)道的DNA-Ag NCs量子產(chǎn)率(>16%).

1.2.3 離子檢測實(shí)驗(yàn) 移取一系列20.0 μL不同濃度的離子溶液, 與20.0 μL DNA-Ag NCs及480.0 μL檸檬酸緩沖溶液混合, 室溫下反應(yīng)60 min后進(jìn)行熒光光譜測定. 每個(gè)濃度平行測定3次, 記錄熒光強(qiáng)度值.

取實(shí)驗(yàn)室自來水樣, 以0.22 μm的濾膜過濾后, 作為實(shí)際樣品進(jìn)行檢測. 再配制含有一定濃度Hg2+和Ni2+的自來水樣, 在相同條件下進(jìn)行檢測, 平行測定3次, 計(jì)算回收率.

2 結(jié)果與討論

2.1 DNA-Ag NCs的表征

DNA-Ag NCs通常由少量原子組成[28], 粒徑較小, 利用紫外-可見吸收光譜、 熒光光譜和透射電子顯微鏡對合成的DNA-Ag NCs進(jìn)行了表征. 如圖1(A)所示, DNA-Ag NCs在265 nm處有1個(gè)很強(qiáng)的吸收峰, 歸屬為DNA的吸收峰; 在約410 nm處有1個(gè)較小的峰, 歸屬為納米銀的吸收峰[29]. 圖1(A)為DNA-Ag NCs在檸檬酸緩沖溶液的熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜, 其激發(fā)波長為448 nm, 最大發(fā)射波長為538 nm, 為綠色光. 由圖1(B)所示紅外光譜可知, 游離DNA和DNA-Ag NCs在3464, 2360, 2096, 1643, 1394, 1230和1084 cm-1處有吸收峰. 3464 cm-1處為O—H和N—H的伸縮振動(dòng)峰; 2360和2096 cm-1處為累積雙鍵的伸縮振動(dòng)峰; 1643 cm-1處主要為C堿基的伸縮振動(dòng)峰; 1394 cm-1處為糖苷鍵的旋轉(zhuǎn)振動(dòng); 1226和1084 cm-1處為DNA的磷酸-五碳糖骨架(PO2-)的伸縮振動(dòng)峰[30,31]. 通過對比DNA與DNA-Ag NCs的紅外光譜圖可知, 游離DNA與納米簇中的DNA紅外吸收峰幾乎相同, 說明以DNA作為模板合成銀納米簇的過程中并未生成其它官能團(tuán). 由圖1(C)所示TEM照片可見, DNA-Ag NCs單分散性良好, 尺寸較均一, 粒徑約為4 nm, 證明已合成銀納米簇.

Fig.1 UV-Vis(a), fluorescence excitation(b) and emission(c) spectra of DNA-Ag NCs(A), infrared spectra of DNA(a) and DNA-Ag NCs(b)(B), TEM images of DNA-Ag NCs with different magnifications(C, D)

2.2 DNA-Ag NCs與Ni2+和Hg2+的相互作用

據(jù)文獻(xiàn)[6]報(bào)道, DNA-Ag NCs可與多種離子發(fā)生相互作用. 將制得的DNA-Ag NCs分別與Hg2+及Ni2+混合, 進(jìn)行熒光光譜檢測. 如圖2(A)所示, Hg2+對DNA-Ag NCs具有較強(qiáng)的熒光猝滅效應(yīng), 而Ni2+則起到熒光增強(qiáng)作用. 在有關(guān)DNA-Ag NCs的報(bào)道[32～34]中, 大部分是加入金屬離子發(fā)生熒光猝滅, 較少有熒光增強(qiáng)的現(xiàn)象.

Fig.2 Fluorescence(A) and UV-Vis absorption spectra(B) of DNA-Ag NCs(a) with Ni2+(b) and Hg2+(c) Inset of (A): fluorescence intensity change of DNA-Ag NCs with the addition of Hg2+ and Ni2+, respectively.

對DNA-Ag NCs分別與Hg2+和Ni2+的混合溶液進(jìn)行紫外檢測, 初步探索了DNA-Ag NCs的熒光猝滅和增強(qiáng)機(jī)理. 由圖2(B)可見, 當(dāng)加入Hg2+時(shí), 原本在265 nm處的吸收峰發(fā)生紅移, 強(qiáng)度也降低, 并且410 nm處對應(yīng)納米銀的吸收峰也消失. 這可能是因?yàn)镠g2+與DNA發(fā)生了較強(qiáng)的相互作用, 生成某種復(fù)合物, 故紫外吸收紅移形成了復(fù)合物的吸收峰. 而當(dāng)DNA與Hg2+發(fā)生較強(qiáng)的相互作用時(shí), Ag NCs與DNA模板之間的相互作用被削弱, Ag NCs失去保護(hù)發(fā)生團(tuán)聚, 從而導(dǎo)致熒光猝滅, 因此410 nm處對應(yīng)納米銀的吸收峰消失. 加入Ni2+后, DNA-Ag NCs的吸收峰位置基本無變化, 說明納米簇結(jié)構(gòu)基本不變. 位于265 nm處的DNA吸收峰強(qiáng)度則顯著增大, 推測其原因是Ni2+的加入對DNA的結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)固作用, 形成了更穩(wěn)定的納米簇, 從而導(dǎo)致熒光增強(qiáng). 由于DNA-Ag NCs能夠與不同離子溶液作用產(chǎn)生熒光變化, 故推測可用DNA-Ag NCs對離子進(jìn)行熒光檢測.

2.3 反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化

Fig.3 Fluorescence intensities of DNA-Ag NCs with Hg2+(a) and Ni2+(b) at different time interval

為了探究DNA-Ag NCs與Hg2+及Ni2+的最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間, 分別測定了不同時(shí)間間隔下混合溶液的熒光強(qiáng)度. 結(jié)果如圖3所示, 當(dāng)DNA-Ag NCs與Ni2+反應(yīng)60 min時(shí), 熒光強(qiáng)度達(dá)到最高, 之后熒光強(qiáng)度逐漸降低. 而DNA-Ag NCs與Hg2+反應(yīng)40 min后, 熒光猝滅基本到達(dá)穩(wěn)定. 鑒于DNA-Ag NCs與Ni2+在反應(yīng)40和60 min時(shí)的熒光值相差并不是很大, 考慮到時(shí)間因素, 選擇優(yōu)化的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)為40 min.

2.4 Ni2+和Hg2+的檢測

根據(jù)上述優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件, 分別測定了DNA-Ag NCs與不同濃度Hg2+和Ni2+反應(yīng)的熒光光譜. 如圖4所示, 檢測Hg2+的線性回歸方程為y=1.3985x+0.005[式中:y=(IF0-IF)/IF0;x為離子濃度],R2=0.9902, 檢測范圍0.001～0.46 μmol/L, Hg2+的檢測限為0.63 nmol/L, 低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的自來水樣中Hg2+的最高含量10 nmol/L. 6次重復(fù)測定0.08 μmol/L Hg2+的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.9%. 檢測Ni2+的線性方程為y=-0.1392x-0.0091,R2=0.9908, 檢測范圍0.04～0.57 μmol/L, Ni2+的檢測限為10 nmol/L, 低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的自來水樣中Ni2+的最高含量340 nmol/L. 6次重復(fù)測定0.08 μmol/L Ni2+的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.7%. 以上結(jié)果表明, 該方法對這2種離子的檢測具有一定的可行性.

Fig.4 Fluorescence spectra of DNA-Ag NCs with Hg2+(A) and Ni2+(B) Insets: linear relationship between fluorescence intensity and concentration of ions.

2.5 實(shí)際水樣中Hg2+和Ni2+的檢測

為了考察該方法的實(shí)用性, 對實(shí)驗(yàn)室自來水樣進(jìn)行了加標(biāo)實(shí)驗(yàn), 使用濾膜對樣品進(jìn)行了前處理. 結(jié)果如表1所示, 自來水中Hg2+的加標(biāo)回收率為90.0%～114.2%, RSD為1.2%～4.7%; Ni2+的加標(biāo)回收率為103.1%～110.0%, RSD為1.1%～2.0%(n=3), 表明該方法具有一定的實(shí)用性.

Table1 Determination of Hg2+ and Ni2+ in tap water samples(n=3)

2.6 輸入因子的選擇

Fig.5 Influence of different factors on fluorescence of DNA-Ag NCs a. Cd2+; b. Cr3+; c. Cu2+; d. Hg2+; e. Ni2+; f. pH=3.0; g. pH=7.0; h. S2-; i. Cl-; j. Pb2+; k. Al3+.

為了構(gòu)建4種不同輸入的DNA-Ag NCs熒光檢測的邏輯門, 對加入11種不同離子的溶液進(jìn)行了熒光測試. 分別加入濃度為3.8 μmol/L的Cd2+, Cr3+, Cu2+, Hg2+, Ni2+, Pb2+, Al3+, Cl-和S2-, 以及調(diào)節(jié)溶液pH為3.0和7.0, 通過相對熒光強(qiáng)度的差異進(jìn)行比較. 結(jié)果如圖5所示, Hg2+和S2-對DNA-Ag NCs有明顯的熒光猝滅效果. 由于DNA-Ag NCs中銀離子與S2-離子發(fā)生反應(yīng)生成Ag2S, 其溶度積(6.3×10-51)遠(yuǎn)小于AgCl的溶度積(1.56×10-10), 因此, 當(dāng)加入S2-時(shí)導(dǎo)致DNA-Ag NCs熒光強(qiáng)度的猝滅程度遠(yuǎn)大于Cl-. 當(dāng)Ni2+存在時(shí), 熒光強(qiáng)度增強(qiáng), DNA-Ag NCs在pH=7.0環(huán)境下熒光強(qiáng)度降低. 綜合考慮, 選擇Hg2+, Ni2+, S2-和pH=7.0的4種輸入建立簡單邏輯門及其更復(fù)雜的邏輯門組合.

2.7 DNA-Ag NCs熒光檢測的邏輯門構(gòu)建

在邏輯運(yùn)算中, 以DNA-Ag NCs作為信號發(fā)生器件, 離子作為化學(xué)輸入, 可構(gòu)建多輸入的邏輯門. 當(dāng)輸出的熒光強(qiáng)度(Ioutput)大于原始的熒光強(qiáng)度(Iorigin), 即Ioutput>Iorigin, 定義信號為1, 而Ioutput≤Iorigin為0. 輸入的存在和不存在分別用布爾邏輯函數(shù)編碼1和0表示. 由于DNA-Ag NCs可響應(yīng)4種刺激, 即Ni2+, S2-, Hg2+和pH=7.0, 故設(shè)計(jì)了四元輸入的邏輯門及其組合. 在構(gòu)建基于DNA-Ag NCs的邏輯門之前, 需確認(rèn)Ni2+, S2-, Hg2+和pH=7.0之間的相互作用優(yōu)先級順序. 由于加入Ni2+而增強(qiáng)的DNA-Ag NCs熒光可以通過分別添加S2-和Hg2+而使其急劇猝滅, 并且加入S2-和Hg2+后猝滅的DNA-Ag NCs猝滅熒光不能通過添加Ni2+來恢復(fù), 可判斷DNA-Ag NCs與S2-或Hg2+的相互作用優(yōu)先于DNA-Ag NCs與Ni2+之間的相互作用. S2-和Hg2+作為對DNA-Ag NCs的猝滅因子, 它們的優(yōu)先級順序無需計(jì)算.

圖6(A)為加入離子溶液前后的DNA-Ag NCs的熒光光譜, 圖6(B)和(C)分別為YES門的熒光強(qiáng)度、 YES邏輯門的符號和真值表. 邏輯門真值表表示邏輯函數(shù)中輸入(input)與輸出(output)之間的邏輯關(guān)系. 將Ni2+作為單一輸入組分, 建立YES邏輯門, 由于Ni2+可以增強(qiáng)DNA-Ag NCs的熒光, 所以Ioutput>Iorigin, 定義為1. 輸出結(jié)果與YES邏輯門運(yùn)算所得輸出信號一致.

Fig.6 Ni2+ as unitary input YES logic gate(A) Fluorescence spectra of DNA-Ag NCs with different inputs; (B) fluorescence intensity of YES gate; (C) logic gates symbol; (D) truth table.

如圖7所示, 將Ni2+和Hg2+作為二元輸入可構(gòu)建INH邏輯門. DNA-Ag NCs為原始強(qiáng)度(output=0), 僅加入Ni2+(input=1, 0)可增強(qiáng)DNA-Ag NCs的熒光(output=1), 單獨(dú)加入Hg2+(input=0, 1)表現(xiàn)為熒光猝滅(output=0), Ni2+與Hg2+一起加入(input=1, 1), 熒光猝滅, output=0. 該結(jié)果與相關(guān)INH邏輯運(yùn)算執(zhí)行一致.

Fig.7 Ni2+ and Hg2+ as binary input INH logic gate(A) Fluorescence spectra of DNA-Ag NCs with different input; (B) fluorescence intensity of INH gate; (C) logic gates symbol; (D) truth table.

目前, 具有多個(gè)輸入的復(fù)雜分子裝置的構(gòu)建仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn), 邏輯集成或串聯(lián)是解決當(dāng)前相對簡單的邏輯運(yùn)算的最有效方法之一. 當(dāng)多種輸入被集成到當(dāng)前相對簡單的邏輯系統(tǒng)中時(shí), 邏輯運(yùn)算的復(fù)雜性將呈指數(shù)增加. 如圖8所示, 將Ni2+, Hg2+和S2-作為三元輸入集成NOR和INH邏輯門, 可形成8種不同的輸入方式. 圖8(A)為具有不同輸入組合的DNA-Ag NCs的熒光光譜; 圖8(B)為組合的NOR和INH邏輯門的熒光強(qiáng)度; 圖8(C)表示邏輯門符號和真值表. Ni2+作為優(yōu)先輸入(input=1, 0, 0), 可以導(dǎo)致熒光增強(qiáng)(output=1); 當(dāng)DNA-Ag NCs溶液中不存在Ni2+時(shí)(input=0, 0, 0; 0, 1, 0; 0, 0, 1或0, 1, 1), 此時(shí)其它2個(gè)輸入充當(dāng)猝滅因子, DNA-Ag NCs的熒光降低(output=0). 綜合所得結(jié)果, 構(gòu)建了整合的NOR和INH邏輯門.

Fig.8 Ni2+, Hg2+ and S2- as ternary input integrative NOR and INH logic gate(A) Fluorescence spectra of DNA-Ag NCs with different inputs; (B) fluorescence intensity; (C) logic gates symbol; (D) truth table.

基于輸出標(biāo)準(zhǔn)的改變可以構(gòu)建不同的邏輯門和邏輯電路. 以之前的輸出標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)稍作變化, 將Ioutput≥Iorigin定義為1,Ioutput

如圖10所示, 以Hg2+和S2-作為二元輸入可構(gòu)建NOR邏輯門. 由于Hg2+和S2-的加入可以猝滅DNA-Ag NCs的熒光, 用2個(gè)猝滅因子充當(dāng)輸入, 故當(dāng)存在Hg2+和S2-中的1個(gè)或2個(gè)時(shí), 有(input=1, 0; 0, 1或1, 1)3種情況, 其邏輯運(yùn)算輸出均為0. Hg2+和S2-均不存在時(shí)(input=0, 0), 保持原始熒光強(qiáng)度(output=1), 符合NOR邏輯運(yùn)算. 若Hg2+, S2-和pH作為三元輸入, 3個(gè)猝滅因子有8種組合情況. 只要出現(xiàn)3個(gè)猝滅因子中的1個(gè)(output=1, 0, 0; 0, 1, 0; 0, 0, 1; 1, 0, 1; 1, 1, 0; 0, 1, 1或1, 1, 1), 其熒光被猝滅(output=0). 3個(gè)輸入均不存在(input=0, 0, 0)時(shí), 熒光強(qiáng)度不變(output=1), 同樣符合NOR邏輯運(yùn)算.

Fig.9 S2- as unitary input NOT logic gate(A) Fluorescence spectra of DNA-Ag NCs with different inputs; (B) fluorescence intensity of NOT gate; (C) logic gates symbol; (D) truth table.

Fig.10 Hg2+ and S2- as binary input NOR logic gate(A) Fluorescence spectra of DNA-Ag NCs with different inputs; (B) fluorescence intensity of NOR gate; (C) logic gates symbol; (D) truth table.

Fig.11 Ni2+, H+, Hg2+ and S2- as quaternary input integrative IMP, NOR and AND logic gate (A) Fluorescence spectra of DNA-Ag NCs with different input combinations; (B) fluorescence intensity; (C) logic gates symbol; (D) truth table.

如圖11所示, 以Ni2+, H+, S2-和Hg2+作為四元輸入可構(gòu)建復(fù)雜的集成邏輯門. 由于加入S2-和Hg2+導(dǎo)致的熒光猝滅不能以添加Ni2+來恢復(fù), 需集中考慮DNA-Ag NCs熒光的增強(qiáng)因子. 單獨(dú)的Ni2+(input=1, 0, 0, 0)比原始熒光強(qiáng)度值高(output=1). 當(dāng)Ni2+和pH=7.0同時(shí)作為輸入時(shí)(input=1, 1, 0, 0), DNA-Ag NCs的熒光強(qiáng)度高于原始DNA-Ag NCs的熒光強(qiáng)度(output=1). 推測其原因是pH=7.0時(shí)溶液為中性, 條件很溫和, 雖然不是最佳條件(pH=5.0), 對熒光的影響也比較弱. S2-和Hg2+均是優(yōu)先猝滅因子, 一旦S2-或Hg2+進(jìn)入DNA-Ag NCs溶液中, DNA-Ag NCs的熒光就會(huì)被猝滅(output=0). 此外, 當(dāng)4個(gè)輸入均不存在(input=0, 0, 0, 0)時(shí), DNA-Ag NCs的熒光保持不變(output=1). 結(jié)合真值表, 得到1個(gè)集成的IMP, NOR和AND邏輯門.

因此, 利用DNA-Ag NCs對化學(xué)輸入的熒光響應(yīng), 可實(shí)現(xiàn)IMP[35]加上NOR和AND功能的四元輸入邏輯運(yùn)算, 從而將化學(xué)感應(yīng)從一個(gè)邏輯門轉(zhuǎn)移到另一個(gè)邏輯門, 通過邏輯門之間的集成和連接可實(shí)現(xiàn)通用的更高功能.

3 結(jié) 論

以DNA為模板, 合成了熒光性質(zhì)較穩(wěn)定的DNA-Ag NCs. 利用DNA-Ag NCs與不同離子的相互作用, 可以猝滅或者增強(qiáng)DNA-Ag NCs的熒光并以此進(jìn)行定量檢測. 對反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化, 發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi), DNA-Ag NCs的熒光強(qiáng)度與離子溶液濃度呈線性關(guān)系. 為了考察新方法的實(shí)用性和可靠性, 選擇自來水樣進(jìn)行了回收實(shí)驗(yàn), 檢測結(jié)果良好. 通過對加入的多種離子進(jìn)行相對熒光強(qiáng)度的測定, 發(fā)現(xiàn)Ni2+的加入可導(dǎo)致DNA-Ag NCs的熒光增強(qiáng), 而Hg2+, S2-和pH=7.0則導(dǎo)致熒光猝滅, 因此選擇Hg2+, Ni2+, S2-和pH=7.0作為四元輸入響應(yīng). 基于DNA-Ag NCs對4種刺激的響應(yīng)性, 并根據(jù)各種輸出定義, 構(gòu)建了多級熒光邏輯門, 包括YES, INH, NOT, NOR和組合NOR與INH, 以及3種邏輯門IMP, NOR與AND的集成, 提供了構(gòu)建多種邏輯門以集成更多邏輯運(yùn)算的方法.