基于氧化石墨烯与金属离子的逻辑模型设计与可控性验证
发布时间：2021-06-08 21:34
作为20世纪末诞生的新型学科,生物计算现已成为前沿科学研究的热点。与电子计算机相似,生物计算机的构建需要多种分子逻辑门,而将氧化石墨烯（GO）、重金属离子等具有生化特性的物质引入分子逻辑门的设计中,有望为研究提出新思路。此外,分子逻辑门最终应在生物实验层面上实现,这就需要对生物实验各个条件的可控性及可控范围进行研究。基于这样的想法,该文以氧化石墨烯和金属离子为基础设计了多个逻辑门,通过仿真实验、电泳实验、正交实验、荧光实验等验证可行性的同时,对实验的可控性及可控范围有进一步研究,一方面证明了所设计逻辑门可行性,另一方面也发现其有运用于实际样品检测的能力。
【文章来源】：电子与信息学报. 2020,42(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
YES门与AND门原理及真值表
图1 YES门与AND门原理及真值表AND门电泳实验以琼脂糖电泳实现。由琼脂糖电泳结果图4观察，带1为Target，由于其本身较短，通过NUPACK预测结构表明其没有自身形成部分双链的能力，荧光染料无法插入到链中，导致在琼脂糖电泳中第1条带并无显示；HH1和HH2链本身具有茎环结构，所以2,3带有条带产生；4,5带为Target分别与HH1,HH2结合，由于Target带较短，与HH1结合并未明显增大其电荷量，与HH2又不会直接产生反应，所以条带位置与2,3带差别较小；6带为HH1与HH2的复合体系，从图中可看出6带具有两条明显带，靠上一条为部分HH1与HH2结合的大分子双链结构(由于电泳时间较长，此过程中HH1与HH2的茎环结构会有部分打开)，靠下一条为HH1,HH2条带重合产生；7带为Target,HH1与HH2的复合体系，Target会先打开HH1，而HH1又会打开HH2，最终有HH1与HH2的双链结构产生，从图中看出结果与预期相似，7带下侧条带较6带更浅，说明HH1,HH2的反应程度比没有加Target的6带更充分。
以氧化石墨烯浓度、反应温度、反应时间、H1浓度为因素验证所设计模型的可控性并研究最优选择，结果如图5。可以看出如果氧化石墨烯浓度太低可能导致淬灭单链荧光的效果不佳，而氧化石墨烯浓度过高时可能会将双链荧光也部分淬灭，所以最优氧化石墨烯浓度为30 mg/mL；反应温度优化明显看出由于当温度过低时可能导致链之间结合速率和链与氧化石墨烯的结合速率降低，而温度过高时则可能造成链结合不稳定使荧光易被淬灭，在35℃时反应效果最佳；反应时间对实验结果影响较小，但反应时间较短时会导致双链结合不彻底从而荧光恢复值低，反应时间过长会增加荧光基团与氧化石墨烯的接触机会导致荧光部分淬灭，故而最优反应时间为60 min;H1浓度最优值为125 nM,H1标记有荧光基团，其浓度过低时假定到达理想状态荧光全部恢复荧光值也较低，故而一般状态下荧光值恢复不明显，而H1浓度过高又会增加H1与氧化石墨烯的接触机会从而荧光部分淬灭。本文中的误差线均为标准差(Standard Deviation,SD)。图4 AND门琼脂糖电泳结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]DNA逻辑计算模型的研究现状与展望[J]. 赵云彬,周士华. 计算机应用研究. 2019(11)
[2]基于可调Q因子小波变换的识别左右手运动想象脑电模式研究[J]. 陈万忠,王晓旭,张涛. 电子与信息学报. 2019(03)
[3]基于阻抗检测微传感技术的皮肤渗透性评估方法[J]. 赵湛,卢飞,王辰硕,赵荣建,杜利东,方震. 电子与信息学报. 2018(08)
[4]基于纳米石墨和单链脱氧核糖核酸混合物的荧光传感器对溶液中汞离子的检测[J]. 魏胤,杨金玲,张凯. 分析试验室. 2018(01)
[5]DNA计算技术的发展与应用[J]. 万菲,董晨,杨静,董亚非,张成. 中国科学院院刊. 2014(01)
硕士论文
[1]基于荧光素衍生物在不同酸碱条件下结构转化的逻辑电路构建[D]. 田涛.天津理工大学 2014
本文编号：3219241
【文章来源】：电子与信息学报. 2020,42(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
YES门与AND门原理及真值表
图1 YES门与AND门原理及真值表AND门电泳实验以琼脂糖电泳实现。由琼脂糖电泳结果图4观察，带1为Target，由于其本身较短，通过NUPACK预测结构表明其没有自身形成部分双链的能力，荧光染料无法插入到链中，导致在琼脂糖电泳中第1条带并无显示；HH1和HH2链本身具有茎环结构，所以2,3带有条带产生；4,5带为Target分别与HH1,HH2结合，由于Target带较短，与HH1结合并未明显增大其电荷量，与HH2又不会直接产生反应，所以条带位置与2,3带差别较小；6带为HH1与HH2的复合体系，从图中可看出6带具有两条明显带，靠上一条为部分HH1与HH2结合的大分子双链结构(由于电泳时间较长，此过程中HH1与HH2的茎环结构会有部分打开)，靠下一条为HH1,HH2条带重合产生；7带为Target,HH1与HH2的复合体系，Target会先打开HH1，而HH1又会打开HH2，最终有HH1与HH2的双链结构产生，从图中看出结果与预期相似，7带下侧条带较6带更浅，说明HH1,HH2的反应程度比没有加Target的6带更充分。
以氧化石墨烯浓度、反应温度、反应时间、H1浓度为因素验证所设计模型的可控性并研究最优选择，结果如图5。可以看出如果氧化石墨烯浓度太低可能导致淬灭单链荧光的效果不佳，而氧化石墨烯浓度过高时可能会将双链荧光也部分淬灭，所以最优氧化石墨烯浓度为30 mg/mL；反应温度优化明显看出由于当温度过低时可能导致链之间结合速率和链与氧化石墨烯的结合速率降低，而温度过高时则可能造成链结合不稳定使荧光易被淬灭，在35℃时反应效果最佳；反应时间对实验结果影响较小，但反应时间较短时会导致双链结合不彻底从而荧光恢复值低，反应时间过长会增加荧光基团与氧化石墨烯的接触机会导致荧光部分淬灭，故而最优反应时间为60 min;H1浓度最优值为125 nM,H1标记有荧光基团，其浓度过低时假定到达理想状态荧光全部恢复荧光值也较低，故而一般状态下荧光值恢复不明显，而H1浓度过高又会增加H1与氧化石墨烯的接触机会从而荧光部分淬灭。本文中的误差线均为标准差(Standard Deviation,SD)。图4 AND门琼脂糖电泳结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]DNA逻辑计算模型的研究现状与展望[J]. 赵云彬,周士华. 计算机应用研究. 2019(11)
[2]基于可调Q因子小波变换的识别左右手运动想象脑电模式研究[J]. 陈万忠,王晓旭,张涛. 电子与信息学报. 2019(03)
[3]基于阻抗检测微传感技术的皮肤渗透性评估方法[J]. 赵湛,卢飞,王辰硕,赵荣建,杜利东,方震. 电子与信息学报. 2018(08)
[4]基于纳米石墨和单链脱氧核糖核酸混合物的荧光传感器对溶液中汞离子的检测[J]. 魏胤,杨金玲,张凯. 分析试验室. 2018(01)
[5]DNA计算技术的发展与应用[J]. 万菲,董晨,杨静,董亚非,张成. 中国科学院院刊. 2014(01)
硕士论文
[1]基于荧光素衍生物在不同酸碱条件下结构转化的逻辑电路构建[D]. 田涛.天津理工大学 2014
本文编号：3219241
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