CN105954243B - 基于bsa/3-mpa-金纳米团簇的implication逻辑门及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于BSA/3‑MPA‑金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门及其构建方法，基于H+可抑制Fe2+对pH=4.6醋酸缓冲液中BSA/3‑MPA‑金纳米团簇的荧光猝灭这一现象，以Fe2+和H+作为输入信号，以牛血清白蛋白‑3‑巯基丙酸‑金纳米团簇为信号转换器，构建了一种IMPLICATION型逻辑门系统。本逻辑门系统具有操作简便（无需任何修饰和标记过程）、信号读取多样化等优点，在临床诊断、化学传感及环境监测等领域具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门及其构建方法，属于纳米技术领域。
背景技术
在过去的几十年中，化学布尔逻辑门已经引起了人们的广泛关注，其已被应用于临床诊断、化学传感和环境监测等诸多领域。目前，通过使用不同的材料（如核酸、酶、有机分子和纳米材料）可构建出不同类别的逻辑门，如AND、OR、NOR、NAND、IMPLICATION及INHIBIT等。然而，大多数的逻辑运算系统存在以下缺点：（1）包含复杂的修饰或标记过程，成本高；（2）不可重置；（3）可移植性差，很难连接到固体表面上；（4）不能同时处理多个输入信号且各逻辑门之间的整合非常困难。
荧光法具有操作简单、快速、灵敏度高、特异性强等突出优点，是逻辑门器件常选用的一种方法。虽然很多荧光染料已被报道可执行逻辑运算，但成本高、光稳定性差、易发生自氧化、毒性大等问题限制了其进一步应用。近年来，金属纳米团簇，尤其是金纳米团簇，作为一类新型的荧光纳米材料备受关注。与小分子有机荧光染料相比，金纳米团簇材料具有光物理性质好、比表面积大、毒性低、表面易于修饰以及荧光性质可调等优点。因此，开发金纳米团簇作为实现逻辑门操作的一种新材料是非常有意义的。
本发明以Fe2+和H+作为输入信号，以牛血清白蛋白-3-巯基丙酸-金纳米团簇（即：BSA/3-MPA-金纳米团簇）为信号转换器，构建了一种IMPLICATION逻辑门。本发明所构建的IMPLICATION逻辑门具有操作简便、信号读取多样化等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于BSA/3-MPA-金纳米团簇荧光材料的IMPLICATION逻辑门及其构建方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是输入信号-1为Fe2+，输入信号-2为H+；信号转换器为BSA/3-MPA-金纳米团簇；输出信号为BSA/3-MPA-金纳米团簇的荧光。
本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是所使用的BSA/3-MPA-金纳米团簇由下述方法制备：2.5 mL浓度为50 mg/mL的牛血清白蛋白与2.5 mL浓度为10 mmol/L 的氯金酸溶液混合均匀，然后加入0.25 mL浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液和0.25 mL浓度为4 mol/L的3-巯基丙酸溶液，振摇混匀，4 °C下反应1 h，反应液由浅黄色变为无色，将反应液用截留分子量7000的透析袋在20 mmol/L pH=3.0磷酸盐缓冲液中透析48小时，然后再在去离子水中继续透析12小时，得到BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液。
本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是Fe2+的浓度优选为50 μmol/L，H+的浓度优选为1 mmol/L。
本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是当含有输入信号时，定义为1；当不含有输入信号时，定义为0。
本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是四种输入信号形式分别为：既不含有50 μmol/L Fe2+又不含有1 mmol/L H+，定义为（0，0）；含有50 μmol/L Fe2+但不含有1 mmol/L H+，定义为（1，0）；不含有50 μmol/L Fe2+但含有1 mmol/L H+，定义为（0，1）；既含有50 μmol/L Fe2+又含有1 mmol/L H+，定义为（1，1）。
本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是紫外灯302 nm波长下目视观察，BSA/3-MPA-金纳米团簇具有橙黄色荧光时，输出信号定义为1，BSA/3-MPA-金纳米团簇不具有橙黄色荧光时，输出信号定义为0。
本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是荧光分光光度计测定激发波长为320 nm时575 nm波长处的荧光强度，荧光强度大于100时，输出信号定义为1；荧光强度小于100时，输出信号定义为0。
本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是当输入信号为（0，0）时，输出信号为1；当输入信号为（1，0）时，输出信号为0；当输入信号为（0，1）时，输出信号为1；当输入信号为（1，1）时，输出信号为1。
本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门构建方法，其特征是在25 μL BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中分别加入475 μL含不同输入信号的pH为4.6的醋酸盐缓冲液，混匀，室温反应10分钟，紫外灯302 nm波长下目视观察BSA/3-MPA-金纳米团簇是否具有橙黄色荧光或用荧光分光光度计测定激发波长为320 nm时575 nm波长处的荧光强度。
本发明所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门构建方法，其特征是输入信号-1为Fe2+，输入信号-2为H+；Fe2+的浓度优选为50 μmol/L，H+的浓度优选为1mmol/L，当含有输入信号时，定义为1；当不含有输入信号时，定义为0，四种输入信号形式分别为：既不含有50 μmol/L Fe2+又不含有1 mmol/L H+，定义为（0，0）；含有50 μmol/L Fe2+但不含有1 mmol/L H+，定义为（1，0）；不含有50 μmol/L Fe2+但含有1 mmol/L H+，定义为（0，1）；既含有50 μmol/L Fe2+又含有1 mmol/L H+，定义为（1，1）；紫外灯302 nm波长下目视观察，BSA/3-MPA-金纳米团簇具有橙黄色荧光时，输出信号定义为1，BSA/3-MPA-金纳米团簇不具有橙黄色荧光时，输出信号定义为0，或荧光分光光度计测定激发波长为320 nm时575nm波长处的荧光强度，荧光强度大于100时，输出信号定义为1；荧光强度小于100时，输出信号定义为0；当输入信号为（0，0）时，输出信号为1；当输入信号为（1，0）时，输出信号为0；当输入信号为（0，1）时，输出信号为1；当输入信号为（1，1）时，输出信号为1；所使用的BSA/3-MPA-金纳米团簇由下述方法制备：2.5 mL浓度为50 mg/mL的牛血清白蛋白与2.5 mL浓度为10 mmol/L 的氯金酸溶液混合均匀，然后加入0.25 mL浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液和0.25 mL浓度为4 mol/L的3-巯基丙酸溶液，振摇混匀，4 °C下反应1 h，反应液由浅黄色变为无色，将反应液用截留分子量7000的透析袋在20 mmol/L pH=3.0磷酸盐缓冲液中透析48小时，然后再在去离子水中继续透析12小时，得到BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液。
具体地说，本发明采用以下技术方案：
（一）BSA/3-MPA-金纳米团簇荧光材料的制备
以下过程中使用的所有玻璃器皿均经过王水浸泡，并用双蒸水彻底清洗，晾干。BSA/3-MPA-金纳米团簇荧光材料的制备过程如下：2.5 mL浓度为50 mg/mL的牛血清白蛋白与2.5 mL浓度为10 mmol/L 的氯金酸溶液混合均匀，然后加入0.25 mL浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液和0.25 mL浓度为4 mol/L的3-巯基丙酸溶液，振摇混匀，4 °C下反应1 h，反应液由浅黄色变为无色。将反应液用截留分子量7000的透析袋在20 mmol/L pH=3.0磷酸盐缓冲液中透析48小时，然后再在去离子水中继续透析12小时，得到BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液。
（二）IMPLICATION型逻辑门的构建
取4个EP管，各加入25 μL步骤（一）制备的BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液，而后分别加入475 μL含不同输入信号的醋酸盐缓冲液（pH=4.6），混匀，室温反应10分钟，紫外灯302nm波长下目视观察或用荧光分光光度计测定575 nm波长处的荧光强度（激发波长为320nm）。IMPLICATION型液相逻辑门的输入信号-1为50 μmol/L Fe2+，输入信号-2为1 mmol/L H+。
本发明的优点：
（1）本发明基于H+可抑制Fe2+对pH=4.6醋酸缓冲液中BSA/3-MPA-金纳米团簇的荧光猝灭而设计的一种IMPLICATION逻辑门。
（2）本发明所使用的信号转换器BSA/3-MPA-金纳米团簇制备过程简单快速。
（3）本发明所构建的逻辑门响应速度快，可以在10分钟内完成信号输出。
（4）本发明所构建的逻辑门具有操作简便、信号读取多样化等突出优点。
附图说明
图1为不同输入信号作用后金纳米团簇溶液在紫外灯302 nm波长下的外观图。
图2为不同输入信号作用后金纳米团簇溶液575 nm波长处的荧光强度图（激发波长为320 nm）。
具体实施方式
IMPLICATION逻辑门的输入信号-1为50 μmol/L Fe2+，输入信号-2为1 mmol/L H+。当含有输入信号时，定义为1；当不含有输入信号时，定义为0。四种输入信号形式分别为：既不含有50 μmol/L Fe2+又不含有1 mmol/L H+，定义为（0，0）；含有50 μmol/L Fe2+但不含有1mmol/L H+，定义为（1，0）；不含有50 μmol/L Fe2+但含有1 mmol/L H+，定义为（0，1）；既含有50 μmol/L Fe2+又含有1 mmol/L H+，定义为（1，1）。输出信号为BSA/3-MPA-金纳米团簇的荧光。当BSA/3-MPA-金纳米团簇有荧光时，定义为1；当BSA/3-MPA-金纳米团簇无荧光时，定义为0。输出信号分为两种读取形式：（1）紫外灯302 nm波长下目视观察，具有橙黄色荧光定义为1，不具有橙黄色荧光定义为0；（2）用荧光分光光度计测定575 nm波长处的荧光强度（激发波长为320 nm），荧光强度大于100定义为1，荧光强度小于100定义为0。
实施例1：
BSA/3-MPA-金纳米团簇荧光材料的制备：2.5 mL浓度为50 mg/mL的牛血清白蛋白与2.5 mL浓度为10 mmol/L 的氯金酸溶液混合均匀，然后加入0.25 mL浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液和0.25 mL浓度为4 mol/L的3-巯基丙酸溶液，振摇混匀，4 °C下反应1小时，反应液由浅黄色变为无色。将反应液用截留分子量7000的透析袋在20 mmol/L pH 3磷酸盐缓冲液中透析48小时，然后再在去离子水中继续透析12小时，得到BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液。4 °C暗处保存，能保持至少两个月的相对稳定。
实施例2：
在25 μL实施例1制得的BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中加入475 μL 50 mmol/L pH=4.6的醋酸盐缓冲溶液，室温反应10分钟，紫外灯302 nm波长下观察，溶液具有橙黄色荧光。即当输入信号为（0，0）时，输出信号为1（见图1）。
实施例3：
在25 μL实施例1制得的BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中加入475 μL 50 mmol/L pH=4.6的醋酸盐缓冲溶液，室温反应10分钟，荧光分光光度计测定575 nm波长处的荧光强度（激发波长为320 nm），荧光强度大于100。即当输入信号为（0，0）时，输出信号为1（见图2）。
实施例4：
在25 μL实施例1制得的BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中加入475 μL 含有50 μmol/L Fe2+的50 mmol/L pH=4.6的醋酸盐缓冲溶液，室温反应10分钟，紫外灯302 nm波长下观察，溶液不具有橙黄色荧光。即当输入信号为（1，0）时，输出信号为0（见图1）。
实施例5：
在25 μL实施例1制得的BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中加入475 μL含有50 μmol/LFe2+的50 mmol/L pH=4.6的醋酸盐缓冲溶液，室温反应10分钟，荧光分光光度计测定575 nm波长处的荧光强度（激发波长为320 nm），荧光强度小于100。即当输入信号为（1，0）时，输出信号为0（见图2）。
实施例6：
在25 μL实施例1制得的BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中加入475 μL 50 mmol/L pH=3.0的醋酸盐缓冲溶液，室温反应10分钟，紫外灯302 nm波长下观察，溶液具有橙黄色荧光。即当输入信号为（0，1）时，输出信号为1（见图1）。
实施例7：
在25 μL实施例1制得的BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中加入475 μL 50 mmol/L pH=3.0的醋酸盐缓冲溶液，室温反应10分钟，荧光分光光度计测定575 nm波长处的荧光强度（激发波长为320 nm），荧光强度大于100。即当输入信号为（0，1）时，输出信号为1（见图2）。
实施例8：
在25 μL实施例1制得的BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中加入475 μL 含有50 μmol/L Fe2+的50 mmol/L pH=3.0的醋酸盐缓冲溶液，室温反应10分钟，紫外灯302 nm波长下观察，溶液具有橙黄色荧光。即当输入信号为（1，1）时，输出信号为1（见图1）。
实施例9：
在25 μL实施例1制得的BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中加入475 μL含有50 μmol/LFe2+的50 mmol/L pH=3.0的醋酸盐缓冲溶液，室温反应10分钟，荧光分光光度计测定575 nm波长处的荧光强度（激发波长为320 nm），荧光强度大于100。即当输入信号为（1，1）时，输出信号为1（见图2）。
以上所述仅为本发明的典型实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是输入信号1为Fe2+，输入信号2为H+；信号转换器为BSA/3-MPA-金纳米团簇；输出信号为BSA/3-MPA-金纳米团簇的荧光；所使用的BSA/3-MPA-金纳米团簇由下述方法制备：2.5 mL浓度为50 mg/mL的牛血清白蛋白与2.5 mL浓度为10 mmol/L 的氯金酸溶液混合均匀，然后加入0.25 mL浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液和0.25 mL浓度为4 mol/L的3-巯基丙酸溶液，振摇混匀，4 °C下反应1 h，反应液由浅黄色变为无色，将反应液用截留分子量7000的透析袋在20 mmol/L pH=3.0磷酸盐缓冲液中透析48小时，然后再在去离子水中继续透析12小时，得到BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液。
2.根据权利要求1所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是Fe2+的浓度为50 μmol/L，H+的浓度为1 mmol/L。
3.根据权利要求1所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是当含有输入信号时，定义为1；当不含有输入信号时，定义为0。
4.根据权利要求1所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是四种输入信号形式分别为：既不含有50 μmol/L Fe2+又不含有1 mmol/L H+，定义为（0，0）；含有50 μmol/L Fe2+但不含有1 mmol/L H+，定义为（1，0）；不含有50 μmol/L Fe2+但含有1mmol/L H+，定义为（0，1）；既含有50 μmol/L Fe2+又含有1 mmol/L H+，定义为（1，1）。
5.根据权利要求4所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是紫外灯302 nm波长下目视观察，BSA/3-MPA-金纳米团簇具有橙黄色荧光时，输出信号定义为1，BSA/3-MPA-金纳米团簇不具有橙黄色荧光时，输出信号定义为0。
6.根据权利要求4所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是荧光分光光度计测定激发波长为320 nm时575 nm波长处的荧光强度，荧光强度大于100时，输出信号定义为1；荧光强度小于100时，输出信号定义为0。
7.根据权利要求5或6所述的基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门，其特征是当输入信号为（0，0）时，输出信号为1；当输入信号为（1，0）时，输出信号为0；当输入信号为（0，1）时，输出信号为1；当输入信号为（1，1）时，输出信号为1。
8.一种基于BSA/3-MPA-金纳米团簇的IMPLICATION逻辑门构建方法，其特征是在25 μLBSA/3-MPA-金纳米团簇溶液中分别加入475 μL含不同输入信号的pH为4.6的醋酸盐缓冲液，混匀，室温反应10分钟，紫外灯302 nm波长下目视观察BSA/3-MPA-金纳米团簇是否具有橙黄色荧光或用荧光分光光度计测定激发波长为320 nm时575 nm波长处的荧光强度；输入信号1为Fe2+，输入信号2为H+；Fe2+的浓度优选为50 μmol/L，H+的浓度优选为1 mmol/L，当含有输入信号时，定义为1；当不含有输入信号时，定义为0，四种输入信号形式分别为：既不含有50 μmol/L Fe2+又不含有1 mmol/L H+，定义为（0，0）；含有50 μmol/L Fe2+但不含有1mmol/L H+，定义为（1，0）；不含有50 μmol/L Fe2+但含有1 mmol/L H+，定义为（0，1）；既含有50 μmol/L Fe2+又含有1 mmol/L H+，定义为（1，1）；紫外灯302 nm波长下目视观察，BSA/3-MPA-金纳米团簇具有橙黄色荧光时，输出信号定义为1，BSA/3-MPA-金纳米团簇不具有橙黄色荧光时，输出信号定义为0，或荧光分光光度计测定激发波长为320 nm时575 nm波长处的荧光强度，荧光强度大于100时，输出信号定义为1；荧光强度小于100时，输出信号定义为0；当输入信号为（0，0）时，输出信号为1；当输入信号为（1，0）时，输出信号为0；当输入信号为（0，1）时，输出信号为1；当输入信号为（1，1）时，输出信号为1；所使用的BSA/3-MPA-金纳米团簇由下述方法制备：2.5 mL浓度为50 mg/mL的牛血清白蛋白与2.5 mL浓度为10 mmol/L的氯金酸溶液混合均匀，然后加入0.25 mL浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液和0.25 mL浓度为4 mol/L的3-巯基丙酸溶液，振摇混匀，4 °C下反应1 h，反应液由浅黄色变为无色，将反应液用截留分子量7000的透析袋在20 mmol/L pH=3.0磷酸盐缓冲液中透析48小时，然后再在去离子水中继续透析12小时，得到BSA/3-MPA-金纳米团簇溶液。
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