Advanced Materials :一种基于发卡DNA银纳米簇的通用双输出生成器“点亮”多样伴生DNA逻辑门和级联线路

当今社会,以硅半导体为基础的计算机等数字设备成为人们进行信息处理以及交流的主要工具,是布尔逻辑运算的一种载体和外在形式。然而,由于硅基半导体器件的微型化与集成化受限于理论极限,其无法一直保持“摩尔定律”所阐述的发展速度。因此,科学家们提出了一条基于分子识别与组装实现逻辑运算的新路径,分子逻辑运算体系应运而生。

分子逻辑门和逻辑线路不断涌现。由于DNA可编辑与易设计的独特优势,基于DNA的分子逻辑体系获得化学家的极大关注,且在该方面已经取得了明显的成果,但仍有一些重要问题亟需解决。大部分具有多个输出信号的逻辑器件须借助于共价标记的信号分子(例如染料),而这种共价标记的方式直接导致了时间的浪费和较高的成本;为了产生一个以上的输出信号,很多逻辑体系须引入众多其他类型的物质(如不稳定的过氧化氢等),而这些物质增加了逻辑平台的复杂性,有损于其运算操作的重复性,而且严重阻碍了不同分子逻辑门的级联组装;另外,不同DNA分子逻辑门的构建往往需要重新设计DNA序列,这也导致高成本和低效率。因此,开发经济有效、简单且非共价信号标记的分子逻辑平台成为分子计算领域的热点。

中国科学院长春应用化学研究所汪尔康课题组利用一种新型发卡DNA为模板合成的银纳米簇(H-AgNCs)作为通用的双输出生成器,得到多种具有相反功能的伴生逻辑门(CCLGs)(YES^NOT,OR^NOR,INHIBIT^IMPLICATION,XOR^XNOR和MAJORITY^MINORITY)以及多种扩展型级联逻辑线路,例如可执行特定功能的奇偶产生器与校验器。H-AgNCs作为非共价信号的来源,它的引入避免了繁琐且昂贵的信号分子标记步骤。CCLGs因H-AgNCs的双荧光发射性质而具有了伴生特征,这种特征有助于节约设计多重逻辑门的时间和成本。与以往相比,该设计弃用了许多物质(例如有机染料)和不稳定的成分(过氧化氢),这不仅降低了逻辑平台的复杂性,提高了逻辑操作的可重复性,而且使不同DNA分子逻辑体系的整合更加简单容易。研究者相信这种经济有效的设计将激发人们开发更为复杂的逻辑系统,从而助力于分子逻辑器件的发展。

相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908480)上。