CN107181485A - 一种基于银纳米簇和氧化石墨烯的免标记奇偶判别器的制备及应用 - Google Patents

一种基于银纳米簇和氧化石墨烯的免标记奇偶判别器的制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于分析化学的光学逻辑门技术领域，涉及一种免标记、通用型、快速反应的荧光逻辑器件的合成方法以及在数字奇偶性判别中的应用。所述方法是利用氧化石墨烯和单链DNA保护的银纳米簇为检测平台，加入不同序列的DNA作为信号输入，从而得到不同的荧光信号输出。本方法结合纳米材料，在分子水平上完成了对0到31这些十进制数字奇偶性的判别。和现有技术相比，该系列逻辑器件利用了贵金属纳米簇的高荧光量子效率和免标记的特性，与氧化石墨烯等新型纳米材料相结合，可以快速实现奇偶判别器的运算功能，在疾病诊断、生物分子检测和细胞成像方面具有潜在的应用价值。

Description

一种基于银纳米簇和氧化石墨烯的免标记奇偶判别器的制备 及应用
技术领域
本发明涉及一种免标记、通用型、快速反应的奇偶判别器的合成方法以及在分子逻辑领域的应用。
背景技术
纵观人类社会的发展历史，电子计算机的发明仅仅出现了70年，但是它已经取得了无与伦比的成就，引领了一次又一次的科技革命。目前，电子计算机的发展处于以超大规模集成电路为特征的微电子学时期。集成电路是以半导体硅为基底，由一个个逻辑电路组成的。这些逻辑电路将各种信息转换成电信号来进行信息的传输、处理和存储等，而所有的信息都是一系列基于“1”和“0”的二进制代码，分别代表着高电平和低电平。这种逻辑电路的发展可以用著名的摩尔定律来解释，即每18个月芯片上的晶体管数量翻一番。然而，电子器件的性能受制于原理性的物理限制和技术性的工艺限制，不可能无限制增加。于是，科学家们发明了分子逻辑器件，它是一种基于化学或生物分子尺度构建的逻辑器件。分子器件对于分析化学仪器的微型化至关重要，已经是分析化学领域的研究热点之一，在不远的将来，会为新型计算机的发展提供契机。
目前基于DNA自组装的分子逻辑器件已经取得了一定的发展，然而要获得低成本和高效率的DNA分子逻辑门仍然是一个巨大的挑战。大部分现存的DNA荧光逻辑门都需要标记荧光染料，这种方法存在着很大的缺陷，如成本高，耗费人力，染料耐光性能差等缺点，因此开发一种基于银纳米簇的免标记分子逻辑器件具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种基于银纳米簇和氧化石墨烯相互作用的免标记奇偶判别器，它具有成本低、反应迅速、操作简单等特点。本发明是这样实现的，一种用于判别十进制数字的奇偶性的分子逻辑器件的合成及应用，其特征在于，具体包括以下步骤:
a:DNA退火：将银纳米簇的模板DNA以及其他输入DNA溶解于磷酸钠的缓冲溶液中(10mM Na2HPO4/NaH2PO4,100mM CH3COONa,5mM Mg(CH3COO)2,pH 7.5)，将模板DNA加热至90℃维持10min，然后冷却至室温。
b:银纳米簇的制备：将1mM银离子加入到模板DNA溶液中，震荡摇匀，放置30min，使Ag+离子和富C链形成C-Ag-C配位，利用模板DNA将Ag+离子充分保护，然后加入NaBH4还原Ag+离子，再次剧烈震荡1min后，避光保存4小时。反应完全后，得到淡黄色的银纳米簇-DNA溶液。
c:基于银纳米簇和氧化石墨烯的逻辑器件的构建：分子逻辑平台由100nM的DNA保护的银纳米簇，15μg/mL的氧化石墨烯混合15分钟后组装完成。当我们把十进制数转换成计算机语言中通用的二进制数后，用1和0代表序列的输入和非输入，可以构建出三个分子逻辑器件，分别是3位、4位和5位的奇偶判别器，他们可以完成对0到31这些十进制数的奇偶性的判别。
d：奇偶判别器的构建：0-31这32个十进制数字可以通过二进制转码形成32个五位的二进制数。我们用N0，N1，N2，N3和N4五种DNA输入链代表这五位的二进制数。当体系中加入输入DNA链时，记为输入为“1”，否则为“0”。由于只有N0可以和模板DNA(Ag-DNA)进行互补杂交，所以只有当体系中加入N0的时候，模板DNA和N0才会形成双链，并且从氧化石墨烯表面脱附下来。由于氧化石墨烯是一种很好的荧光猝灭剂，它可以高效地猝灭银纳米簇的荧光信号。当体系中不加入N0时，整个分子逻辑平台的荧光信号很弱，我们认为其输出为“0”。当体系中加入N0时，模板DNA和N0发生杂交，杂交后形成双链DNA。由于氧化石墨烯只能吸附单链DNA而不能吸附双链DNA，所以模板DNA(Ag-DNA)和N0的杂交体会从氧化石墨烯表面脱附。当这个杂交双链离开氧化石墨烯表面后，模板DNA保护的银纳米簇也离开了氧化石墨烯表面，荧光信号逐渐恢复，我们认为输出为“1”。由于奇数的十进制数字经过二进制转码后生成的二进制码中，末位为1，因此奇数会含有N0，体系输出为“1”。相反，偶数的十进制数字经过二进制转码后生成的二进制码中，末位为0，因此偶数不含有N0，体系输出为“0”。这样，我们就可以通过荧光信号输出来判定十进制数的奇偶性。
附图说明
图1三位数的奇偶判别器的构建示意图；
图2(A)三位数的奇偶判别器的逻辑电路。(B)三位数的奇偶判别器的荧光光谱图。(C)三位数的奇偶判别器的荧光强度柱状图。(D)三位数的奇偶判别器的真值表。
图3四位数的奇偶判别器的构建示意图；
图4(A)四位数的奇偶判别器的逻辑电路。(B)四位数的奇偶判别器的荧光强度柱状图。(C)四位数的奇偶判别器的真值表
图5五位数的奇偶判别器的构建示意图。
图6(A)五位数的奇偶判别器的逻辑电路。(B)五位数的奇偶判别器的荧光强度柱状图。(C)五位数的奇偶判别器的真值表。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明做进一步说明，本发明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
实施例1
DNA保护的银纳米簇的制备：首先，将模板DNA(Ag-DNA)溶解于磷酸钠缓冲溶液中(10mM Na2HPO4/NaH2PO4,100mM CH3COONa,5mM Mg(CH3COO)2,pH 7.5)，再将缓冲溶液加热到90℃保持10min，然后缓慢冷却至室温。向缓冲体系中加入1mM的硝酸银溶液，持续震荡30秒。孵育30min后，再次加入1mM的NaBH4溶液，剧烈震荡1min。在最终溶液中，模板DNA，硝酸银和硼氢化钠的比例为1：6：6。
实施例2
基于氧化石墨烯和银纳米簇传感平台的构建：分子逻辑平台由100nM的DNA保护的银纳米簇，15μg/mL的氧化石墨烯混合15min后组装完成。当我们把十进制数转换成计算机语言中通用的二进制数后，用1和0代表序列的输入和非输入，按照附图2，4，6所示，加入不同组合的输入DNA(N0-N4)，可以完成对0到31这些十进制数的奇偶性的判别。
将实施例中制备的分子逻辑平台应用于十进制数的奇偶性判别，其具体操作方法及结果如下应用实例：
应用实例1
对十进制数字0-7进行奇偶性判别：首先，将这8个数字如图2(D)所示通过二进制转码形成8个三位的二进制数。我们用N0，N1和N2三条DNA输入链代表这8个三位的二进制数。当体系中加入输入链时，记为输入为“1”，否则为“0”。向500μL缓冲溶液中按照图1所示分别加入1μM的N0，N1和N2组合链，然后孵育10min。在固定激发波长为560nm后，对体系进行荧光发射光谱扫描，结果如图2所示，我们把归一化后的荧光强度值低于0.5的记为输出值“0”，荧光强度高于0.5的记为输出值“1”。结果表明，奇数十进制数的输出为“1”，偶数十进制数的输出为“0”，因此，按照本发明方法可以成功实现对十进制数字0-7的奇偶性判定。
应用实例2
对十进制数字0-15进行奇偶性判别：首先，将这16个数字如图4(C)所示通过二进制转码形成16个四位的二进制数。我们用N0，N1，N2和N3四条DNA输入链代表这16个四位的二进制数。当体系中加入输入链时，记为输入为“1”，否则为“0”。向500μL缓冲溶液中按照图3所示分别加入1μM的N0，N1，N2和N3组合链，然后孵育10分钟。在固定激发波长为560nm后，对体系进行荧光发射强度进行测定，结果如图4(B)所示，我们把归一化后的荧光强度值低于0.5的记为输出值“0”，荧光强度值高于0.5的记为输出值“1”，结果表明，奇数十进制数的输出为“1”，偶数十进制数的输出为“0”，因此，按照本发明方法成功实现了对十进制数字0-15的奇偶性判定。
应用实例3
对十进制数字0-31进行奇偶判别：首先，将这32个数字如图6(C)所示通过二进制转码形成32个五位的二进制数。我们用N0，N1，N2，N3和N4五条DNA输入链代表这32个五位的二进制数。当体系中加入输入链时，记为输入为“1”，否则为“0”。向500μL体系中按照图1所示分别加入1μM的N0，N1，N2，N3和N4组合链，然后孵育10分钟。在固定激发波长为560nm后，对体系进行荧光发射强度进行测定，结果如图6所示，我们把归一化后的荧光强度值低于0.5的记为输出值“0”，荧光强度高于0.5的记为输出值“1”，结果表明，奇数十进制数的输出为“1”，偶数十进制数的输出为“0”，因此，按照本发明方法成功实现了对十进制数字0-31的奇偶性判定。

Claims (4)

1.一种用于判别十进制数字的奇偶性的分子逻辑器件的合成及应用，其特征在于，具体包括以下步骤:
a:根据构建分子逻辑器件的要求设定奇偶判别器中输入DNA的浓度，并将银纳米簇的模板DNA(Ag-DNA)和N0，N1，N2，N3，N4这四种输入DNA溶解于磷酸钠的缓冲溶液中(10mMNa2HPO4/NaH2PO4,100mM CH3COONa,5mM Mg(CH3COO)2,pH 7.5)，将这些DNA链加热退火，冷却后备用。
b:先利用Ag+离子和富C链形成C-Ag-C配位，然后用NaBH4还原Ag+离子，得到银纳米簇溶液后组装通用型分子逻辑平台。分子逻辑平台由100nM DNA保护的银纳米簇，15μg/mL的氧化石墨烯混合15分钟后组装完成。当我们把十进制数转换成计算机语言中通用的二进制数后，用1和0代表序列的输入和非输入，按照附图2，4，6所示，加入不同组合的输入DNA(N0-N4)，可以完成对0到31这些十进制数的奇偶性的判别。
2.如权利要求1所述的制备银纳米簇的DNA模板，其碱基序列为：TAGTGACGTCCAGCATCCCCCCCCCCCC 。
3.如权利要求1所述的逻辑门的构建中，输入DNA(N0-N4)的浓度和模板DNA浓度比为10:1。
4.如权利要求1所述的基于DNA的分子逻辑器件对0到31的十进制数字的奇偶判别能力。
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