CN109055493A - 一种基于分子信标dna的微流控异或运算系统及运算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了生物计算机技术领域的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统及运算方法，包括微流控芯片，微流控芯片上分别设有第一输入信号腔室和第二输入信号腔室，第一输入输入信号腔室和第二输入信号腔室之间设有第一微流体通道，第一微流体通道的右端连接有S型通道，S型通道的右侧设有第二微流体通道，第二微流体通道的右端连接有储液腔室；本发明通过设置两组输入信号腔室，能够保证代表两输入信号的DNA溶液分别存放，保证四种输入组合，在微流控芯片上设置了运算系统，能够实现流体的流向控制，提供反应所需的温度，以及检测运算的结果，操作简单，准确度高，将DNA计算与微流控技术相结合，集成度高，运算快速准确。
Description
技术领域
本发明涉及生物计算机技术领域，具体涉及一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统及运算方法。
背景技术
作为一种新的分子计算模式，DNA计算以其高度并行性，海量的存储能力，耗能低等优点受到科学家的广泛关注，设计能完成DNA计算功能的生物芯片成为研制DNA分子计算机的关键。逻辑运算是计算机实现运算的基础，是执行复杂运算的抽象布尔代数的基本构件。因此，构建基于DNA分子的逻辑运算芯片是研制DNA计算机的基础。
分子信标作为一种特殊结构的DNA分子，一般由环状区、信标茎秆区、荧光基团、淬灭基团构成。在单链情况下，由于荧光基团和淬灭基团的距离很近，荧光基团的能量被淬灭基团吸收，使得分子信标的荧光被淬灭。而当分子信标序列与其靶序列发生杂交反应后，分子信标的发夹结构被打开，荧光基团和淬灭基团分离，分子信标以双链的形式存在并发出荧光。利用分子信标的这一特点，将具有发夹结构的分子信标以及能与其互补杂交的靶序列分别用来表示逻辑电路中的输入信号1和0，而将荧光基团共振能量的转移结果用来表示输出信号，可以将逻辑运算巧妙地映射成为分子信标DNA的杂交反应过程，并通过检测杂交反应物的荧光情况得到运算结果。
DNA计算是利用DNA分子的结构和特性将运算映射为DNA分子生化反应的过程，但传统的分子反应存在着所需的实验仪器庞大，操作复杂，样品的消耗量大，反应效率低，反应过程难以控制，实验结果难以检测等问题，导致计算过程缓慢且容易失败。微流控芯片技术是通过微细加工技术在玻璃、硅、PDMS等基片上制备微通道及网络，并研制相应的控制检测系统，将生物化学领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到微米级别的操作环境下进行研究。这一技术不仅显著降低了样品的消耗量，提高了反应效率，降低了实验产生废物对环境的污染；而且集成微流控芯片操作的并行性优势可以实现实验的高通量、自动化控制。目前，微流控芯片多用于生物、化学、医学等领域的检测，将其与信息技术结合用来完成数据处理与运算的并不多见。因此，研制体积小、集成度高、运算快速准确的DNA计算微流控芯片成为关键问题。基于此，本发明设计了一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统及运算方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统及运算方法，以解决上述背景技术中提出的解决计算过程缓慢且容易失败并实现微流控芯片上的分子逻辑运算的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，包括微流控芯片，所述微流控芯片上分别设有第一输入信号腔室和第二输入信号腔室，所述第一输入输入信号腔室和第二输入信号腔室之间设有第一微流体通道，所述第一微流体通道的右端连接有S型通道，所述S型通道的右侧设有第二微流体通道，所述第二微流体通道的右端连接有储液腔室，所述储液腔室的右侧设有第三微流体通道，所述第三微流体通道的右端连接有反应腔室，所述反应腔室的右侧设有第四微流体通道，所述第四微流体通道的右端连接有检测腔室；
所述反应腔室上连接有温度控制装置；
所述检测腔室上连接有荧光检测装置。
优选的，所述微流控芯片包括芯片底片和芯片盖片，所述芯片盖片位于芯片底片的上方，所述微流体通道和S型通道、储液腔室、反应腔室和检测腔室均位于芯片底片和芯片盖片之间。
优选的，所述第一输入信号腔室和第二输入信号腔室上均设有进样口。
优选的，所述第一微流体通道上设有芯片阀，所述芯片阀位于第一输入信号腔室、第二输入信号腔室和S型通道之间，所述第三微流体通道上贯穿设有第一开口，所述第四微流体通道上贯穿设有第三开口。
优选的，所述反应腔室上贯穿设有第二开口。
优选的，所述检测腔室上贯穿设有第四开口，所述第四开口上设有压力控制器，所述压力控制器分别与第一开口、第三开口和第四开口连接有管路，所述管路上设有阀体，所述阀体为夹管阀，所述压力控制器和管路组成动力系统。
优选的，所述荧光检测装置内设有激发光源。
优选的，一种基于分子信标DNA的微流控异或运算方法，包括以下步骤：
第一：建立异或运算与分子信标DNA的杂交反应过程的映射关系：将输入信号1用具有发夹结构的分子信标表示，输入信号0用能与分子信标互补的靶序列表示；而输出信号采用反应后DNA分子在激发光的照射下是否发出荧光来表示，若产生荧光，表示输出信号为1，若没有荧光产生，表示输出信号为0；
第二：通过所述进样口加入代表输入信号的分子信标DNA溶液及其靶序列溶液，并在所述温度控制装置下让其在所述反应腔室进行生化反应；
第三：最后通过所述荧光检测装置检测运算结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、将逻辑运算映射成为分子信标DNA的生化反应，通过简单的操作即可完成运算功能。
2、设置两输入信号腔室，能够保证代表两输入信号的DNA溶液分别存放，保证四种输入组合。
3、S型通道能够使输入信号溶液充分混合，且操作简单，使用方便。
4、在微流控芯片上设置了一运算系统，能够实现流体的流向控制，提供反应所需的温度，以及检测运算的结果，操作简单，准确度高。
5、将DNA计算与微流控技术相结合，设计一种体积小、集成度高、运算快速准确的基于分子信标DNA计算的微流控异或运算系统及运算方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明微流控运算芯片的运算系统的结构示意图。
图2是本发明微流控芯片的结构示意图。
图3是本发明微流控芯片的侧面结构示意图。
图4是分子信标DNA杂交反应原理示意图。
图5是以分子信标及其靶序列作为输入信号异或门运算原理示意图。
图6是本发明微流控异或运算系统在四种输入情况下运算后的荧光强度的检测值。
图7是本发明异或运算真值表。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-微流控芯片，2-第一输入信号腔室，3-第二输入信号腔室，4-进样口，501-第一微流体通道，502-第二微流体通道，503-第三微流体通道，504-第四微流体通道，6-芯片阀，7-S型通道，8-储液腔室，9-第一开口，10-反应腔室，11-第二开口，12-第三开口，13-检测腔室，14-第四开口，15-压力控制器，16-阀体，17-温度控制装置，18-荧光检测装置，19-芯片底片，20-芯片盖片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，包括微流控芯片1，微流控芯片1上分别设有第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3，第一输入输入信号腔室2和第二输入信号腔室3之间设有第一微流体通道501，第一微流体通道501的右端连接有S型通道7，S型通道7的右侧设有第二微流体通道502，第二微流体通道502的右端连接有储液腔室8，储液腔室8的右侧设有第三微流体通道503，第三微流体通道503的右端连接有反应腔室10，反应腔室10的右侧设有第四微流体通道504，第四微流体通道504的右端连接有检测腔室13；
反应腔室10上连接有温度控制装置17；
检测腔室13上连接有荧光检测装置18。
其中，微流控芯片1包括芯片底片19和芯片盖片20，芯片盖片20位于芯片底片19的上方，微流体通道5和S型通道7、储液腔室8、反应腔室10和检测腔室13均位于芯片底片19和芯片盖片20之间。
第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3上均设有进样口4。
第一微流体通道501上设有芯片阀6，芯片阀6位于第一输入信号腔室2、第二输入信号腔室3和S型通道7之间，第三微流体通道503上贯穿设有第一开口9，第四微流体通道504上贯穿设有第三开口12，芯片阀6用于控制微流体通道5的流通和断开。
反应腔室10上贯穿设有第二开口11。
检测腔室13上贯穿设有第四开口14，第四开口14上设有压力控制器15，压力控制器15分别与第一开口9、第三开口12和第四开口14连接有管路，管路上设有阀体16，阀体16为夹管阀，压力控制器15和管路组成动力系统，压力控制器15可采用注射泵或注射器，可以提供驱动流体流动的真空负压，阀体16用于控制各管路的开启和关闭，动力系统能为流体驱动提供真空负压。
荧光检测装置18内设有激发光源，用于激发荧光物质释放荧光。
一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统的运算方法，包括以下步骤：
第一：建立异或运算与分子信标DNA的杂交反应过程的映射关系：将输入信号1用具有发夹结构的分子信标表示，输入信号0用能与分子信标互补的靶序列表示；而输出信号采用反应后DNA分子在激发光的照射下是否发出荧光来表示，若产生荧光，表示输出信号为1，若没有荧光产生，表示输出信号为0；
第二：通过进样口4加入代表输入信号的分子信标DNA溶液及其靶序列溶液，并在温度控制装置17下让其在反应腔室10进行生化反应；
第三：最后通过荧光检测装置18检测运算结果。
本实施例的一个具体应用为：通过以下实验步骤进行异或运算，实验过程如下：
首先，根据对异或运算真值表的分析，建立异或运算和分子信标杂交反应的映射关系，规定输入信号及输出信号的选择和表示。具体来说，将输入信号1用具有发夹结构的分子信标表示，输入信号0用能与分子信标互补的靶序列表示；而输出信号采用反应后DNA分子在激发光的照射下是否发出荧光来表示，若发出荧光，表示输出信号为1，若不发出荧光，表示输出信号为0。
用于完成DNA运算生化反应的微流控芯片1，微流控芯片1上的反应腔室10连接有温度控制装置17，用于为芯片内的生化反应提供合适的温度。微流控芯片1上的检测腔室13连接有荧光检测装置18，用于检测运算结果的荧光强度。微流控芯片1上的第一开口9、第三开口11和第四开口14且分别通过管路共同连接压力控制器15，能为流体驱动提供真空负压。
微流控芯片1由聚合物材料制成。微流控芯片1上设置有两个用于加入表示运算输入信号的第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3，第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3上均留有进样口4，第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3通过第一微流体通道501连接有用于将输入信号溶液混合均匀的S型通道7。S型通道7通过第二微流体通道502连接有用于暂时存放混合液的储液腔室8，储液腔室8通过第三微流体通道503连接有用于分子信标与靶序列进行杂交反应的反应腔室10，反应腔室10通过第四微流体通道504连接有用于检测反应物荧光结果的检测室13。第三微流体通道503上贯穿设有第一开口9，第四微流体通道504上贯穿设有第三开口12，第一开口9和第三开口12分别和压力控制器15通过管路连接，用于驱动芯片内的液体向某一方向流动。反应腔室10设置有第二开口11，用于引入反应所需的酶等相关试剂。检测腔室13设置有第四开口14，和压力控制器15通过管路连接，用于驱动芯片内的液体向某一方向流动，同时，第四开口14还具有输出芯片内反应液、清洗液的作用。储液腔室8用于暂时存放经S型通道7混合后的输入溶液。输入信号溶液分别为分子信标溶液及其靶序列溶液。芯片阀6采用下压阀、扭矩阀、气动阀之一。
通过以下步骤进行基于分子信标DNA的异或运算，实验过程如下：
1运算
①输入信号加样：首先，关闭芯片阀6和所有阀体16。然后，取一定量的分子信标探针溶液和靶序列溶液分别经进样口4加入第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3，再经第二开口11向反应腔室10加入杂交反应所需的生物酶和相关离子试剂，并用移液器吹吸混匀后盖上密封盖。
②混合：完成输入信号加样后，打开芯片阀6和压力控制器15与第一开口9之间的阀体16，启动压力控制器15，将第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3中的输入信号溶液经第一微流体通道501、S型通道7、第二微流体通道502进入储液腔室8，输入信号溶液在S型通道7内能够充分混合。关闭芯片阀6和压力控制器15与第一开口9之间的阀体16。
③反应：待溶液完全进入储液腔室8后，打开压力控制器15和第三开口12之间的阀体16，启动压力控制器15，将混合均匀的溶液经第三微流体通道503输送至反应腔室10。关闭压力控制器15和第三开口12之间的阀体16，在外围加热器和连接反应腔室10的温度控制装置17的作用下，加热微流控芯片1，并维持温度在30摄氏度，让反应腔室10内的分子信标和靶序列发生杂交反应。
④检测：反应结束后，打开压力控制器15与第四开口14之间的阀体16，启动压力控制器15，将反应结束后的溶液经第四微流体通道504输送至检测腔室13。关闭压力控制器15和第四开口14之间的阀体16，在检测腔室13连接的荧光检测装置18的作用下，检测反应生成物的荧光，并根据运算规则及荧光情况确定运算结果。
2清洗
①加入清洗液：待所有反应、检测完成后，关闭并撤离外围加热器、温度控制装置17、荧光检测装置18以及芯片阀6和所有阀体16。用移液器向第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3内分别加入清洗液后盖上密封盖。
②同步骤1进行混合、反应操作，完成清洗液对第一输入信号腔室2和第二输入信号腔室3，第一微流体通道501、S型通道7、第二微流体通道502、储液腔室8、第三微流体通道503、反应腔室10的第一次清洗。
③打开压力控制器15与第四开口14之间的阀体16，启动压力控制器15，将反应腔室10内的清洗液经第四微流体通道504输送至检测腔室13，最终从第四开口14排出，完成芯片的第一次清洗。
④重复上述步骤2-3次，完成芯片的清洗。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (9)
1.一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，包括微流控芯片(1)，其特征在于：所述微流控芯片(1)上分别设有第一输入信号腔室(2)和第二输入信号腔室(3)，所述第一输入输入信号腔室(2)和第二输入信号腔室(3)之间设有第一微流体通道(501)，所述第一微流体通道(501)的右端连接有S型通道(7)，所述S型通道(7)的右侧设有第二微流体通道(502)，所述第二微流体通道(502)的右端连接有储液腔室(8)，所述储液腔室(8)的右侧设有第三微流体通道(503)，所述第三微流体通道(503)的右端连接有反应腔室(10)，所述反应腔室(10)的右侧设有第四微流体通道(504)，所述第四微流体通道(504)的右端连接有检测腔室(13)；
所述反应腔室(10)上连接有温度控制装置(17)；
所述检测腔室(13)上连接有荧光检测装置(18)。
2.根据权利要求1所述的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，其特征在于：所述微流控芯片(1)包括芯片底片(19)和芯片盖片(20)，所述芯片盖片(20)位于芯片底片(19)的上方，所述微流体通道(5)和S型通道(7)、储液腔室(8)、反应腔室(10)和检测腔室(13)均位于芯片底片(19)和芯片盖片(20)之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，其特征在于：所述第一输入信号腔室(2)和第二输入信号腔室(3)上均设有进样口(4)。
4.根据权利要求1所述的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，其特征在于：所述第一微流体通道(501)上设有芯片阀(6)，所述芯片阀(6)位于第一输入信号腔室(2)、第二输入信号腔室(3)和S型通道(7)之间，所述第三微流体通道(503)上贯穿设有第一开口(9)，所述第四微流体通道(504)上贯穿设有第三开口(12)。
5.根据权利要求1所述的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，其特征在于：所述反应腔室(10)上贯穿设有第二开口(11)。
6.根据权利要求4所述的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，其特征在于：所述检测腔室(13)上贯穿设有第四开口(14)，所述第四开口(14)上通过管路连接有压力控制器(15)，所述压力控制器(15)通过管路分别与第一开口(9)、第三开口(12)和第四开口(14)之间设有阀体(16)，所述阀体(16)为夹管阀。
7.根据权利要求6所述的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，其特征在于：所述压力控制器(15)和微流控芯片(1)上的管路组成动力系统，所述动力系统分别与第一开口(9)和第三开口(12)相连。
8.根据权利要求1所述的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算系统，其特征在于：所述荧光检测装置(18)内设有激发光源。
9.根据权利要求1所述的一种基于分子信标DNA的微流控异或运算方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一：建立异或运算与分子信标DNA的杂交反应过程的映射关系：将输入信号1用具有发夹结构的分子信标表示，输入信号0用能与分子信标互补的靶序列表示；而输出信号采用反应后DNA分子在激发光的照射下是否发出荧光来表示，若产生荧光，表示输出信号为1，若没有荧光产生，表示输出信号为0；
第二：通过所述进样口(4)加入代表输入信号的分子信标DNA溶液及其靶序列溶液，并在所述温度控制装置(17)下让其在所述反应腔室(10)进行生化反应；
第三：最后通过所述荧光检测装置(18)检测运算结果。
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