Кіріспе

Молекулалық логикалық қақпа - бір немесе бірнеше физикалық немесе химиялық кіріс пен бір шығыс негізінде логикалық операцияны орындайтын молекула. Бұл сала бір химиялық немесе физикалық енгізуге негізделген қарапайым логикалық жүйелерден комбинаторлық және реттік операциялар, мысалы арифметикалық операциялар (яғни молекулаторлар мен жадыда сақтау алгоритмдері) жасай алатын молекулаларға дейін дамыды. Молекулалық логикалық қақпалар химиялық процестерге негізделген кіріс сигналдарымен және спектроскопиялық құбылыстарға негізделген шығыс сигналдарымен жұмыс істейді. Логикалық қақпалар - электр схемаларының негізгі құрылыс блоктары. Олар бірнеше миллион логикалық қақпалардың каскады арқылы күрделілігінің әртүрлі деңгейлері бар цифрлық архитектураларды құру үшін пайдаланылуы мүмкін. Логикалық қақпалар - бір немесе бірнеше бинарлық кіріс бойынша Буль функцияларына негізделген логикалық операцияларды орындағаннан кейін біртұтас бинарлық шығыс беретін физикалық құрылғылар. Молекулалық логикалық қақпалар тұжырымдамасы логикалық қақпалардың молекулаларға қолданылуын кеңейтіп, химиялық жүйелерді есептеу бірліктеріне айналдыруды көздейді. Соңғы үш онжылдықта бұл сала молекулалық электроника, биосенсорлық, ДНК есептеу, нанороботика және жасушалық бейнелеу сияқты бірнеше практикалық қолданбаларды жүзеге асыру үшін дамыды.

Жұмыс принципі

Бір кіруі бар логикалық қақпалар үшін төрт мүмкін шығу үлгісі бар. Кіріс 0 болса, шығыс 0 немесе 1 болуы мүмкін. Кіріс мәні 1 болғанда, шығыс қайтадан 0 немесе 1 болуы мүмкін. Төрт шығыс бит үлгілері белгілі бір логикалық түрге сәйкес келеді: PASS 0, ИӘ, ЖЕ, ЖЕ PASS 1. PASS 0 әрқашан 0-ге шығады, кіріс қандай болмасын. PASS 1 әрқашан 1 шығарады, кіріс қандай болмасын. ИӘ кіріс 1 болғанда 1 шығады, ал ИӘ-нің керісі НЕ. AND, OR, XOR, NAND, NOR, XNOR және INH - екі логикалық кіру қақпалары. AND, OR және XOR қақпалары - негізгі логикалық қақпалар, ал NAND, NOR және XNOR қақпалары сәйкесінше AND, OR және XOR қақпаларына қосымша болып табылады. INHIBIT (INH) шлюзі - тыйым салушы кірісті қамтитын арнайы шартты логикалық шлюз. Тыйым салатын кіріс болмаған кезде, шығарылған шығыс тек басқа кіріске байланысты болады.

Тарих және дамуы

Молекулалық есептеуде π конъюгацияланған молекулаларды пайдаланудың алғашқы идеяларының бірі 1988 жылы IBM-ден Ари Авирам ұсынған. Бұл жұмыстың мотивациясы - аралас валентті σ π σ байланысқан молекулалардың теориялық модельдерін әзірлеу және олардың молекулалық құрылғыларда әлеуетті қолдану үшін стереохимиялық қасиеттерін зерттеу болды. Жүйе екі π конъюгацияланған жүйеден тұрады, 1 және 2, олиготиофендерден құралған, олар спиро байланысымен қосылған және тиол байланыштырғыштары арқылы алтын электродтарға қосылған. π 1 жүйесі нейтральды күйінде өткізбейді, ал 2 жүйесі радикалдық катион түрінде электр өткізгіш болып табылады. Спиролық байланыстың арқасында жүйенің бұрмаланған құрылымы екі π жүйесі арасындағы электронды тасымалдауға кедергі келтіреді. Алайда, байланысқа бағытталған электродтар арқылы, күшті электр өрісі 1 жүйеден 2 жүйеге электронды көшіруді жеңілдетеді, ал радикал катион кері бағытта жүреді. [[Файл:2-сурет. Авирам ұсынған молекулалық электронды қосқыштың сызбасы. Aviram компаниясының ұсынған молекулалық электронды түрлендіргішінің схемасы. Міне, молекулалық логикалық қақпа, бұрын сипатталғандай, иондық түрлерінен фотоникалық түрлерге (осыдан "фотоиондық" термині) сигналдарды түрлендіре алады, олар бірлік кіріс бірлік шығыс жүйелері болып табылады. Күрделі молекулалық логикалық архитектураларды құру үшін екі кіріс қақпасы, атап айтқанда, AND және OR қақпалары қажет. Кейбір ертедегі жұмыстар осы бағытта біраз алға жылжуға мүмкіндік берді, бірақ толық шындық кестесін жүзеге асыра алмады, өйткені олардың иондық формалары (протонды) барлық жағдайларда субстратқа байлана алмады. Де Сильва және оның серіктестері антраценге негізделген AND шлюзін құрастырды, ол үшінші амин және бензо-18 тажы 6 бірліктерден тұрады, олардың екеуі де фотоиндуцированный электронды трансфер (PET) процестерін көрсетеді. Көрсетiлген жүйеде екеуi де алкил аралықтары арқылы антраценге негізделген флюорофорға қосылған рецепторлар ретiнде әрекет еттi. ПЭТ екі рецептор үшін тиісінше протон және натрий иондарымен үйлестіру кезінде сөндіріледі және антрацен бірлігін флуоресцирлеуге әкеледі. AND қақпасының шынайылық кестесі толық іске асырылды, өйткені жүйеде протондар мен натрий иондары болған кезде ғана флуоресценция шығысы болады. ортасында молекулалық және қақпалық 449x449px

ИӘ молекулалық логикалық қақпа

YES логикалық қақпасының мысалы цианомен ауыстырылған антрацен бірлігіне қосылған бензокорон эфирден тұрады. 1 (флуоресценция) шығыс тек сода иондары ерітіндіде болған кезде ғана алынады (берілгені 1 деп көрсетеді). Натрий иондарын тәж эфирі капсулалайды, нәтижесінде ПЕТ процесінің сөнуі және антрацен блогының флуоресценциясын тудырады.

ЖӘНЕ молекулалық логикалық қақпа

Молекулалық логикалық қақпаның суреті редокстық флуоресценттік коммутаторлардан электрохимиялық коммутаторлы көп кіріс логикалық қақпаларға көшуді көрсетеді. Бұл екі кіріс ЖӘНЕ логикалық қақпа үшінші амин протон рецепторы мен тетратиафулвален редокстық донорын қамтиды. Бұл топтар антраценге қосылған кезде, бір мезгілде ерітіндідегі қышқыл концентрациясы мен тотықтырғыш қабілеті туралы ақпаратты өңдеуге болады. ортасында 258x258px бар. Бұл протон мен электронды молекулалық логикалық қақпасының сенсорлары.

OR молекулалық логикалық қақпасы

Де Силва және басқалар. АЗА-корон эфир рецепторы мен натрий мен калий иондарын енгізу ретінде OR молекулалық логикалық қақпасын құрастырды. Екі ионның кез келгені тәж эфирімен байланысып, ПЕТ-ті сөндіріп, флуоресценцияны іске қосуға әкелуі мүмкін. Екі ионның (кірісі 1) бірі флуоресценцияны (шығысы 1) қоздыра алатын болғандықтан, жүйе OR логикалық қақпасына ұқсайды. ортаңғы сандықта 328x328px сандықта 2 молекулалық логикалық шлюз.

NAND молекулалық логикалық қақпасы

Паркер мен Уильямс фенантридиннің тербиум кешенінен күшті эмиссияны қосуға негізделген NAND логикалық қақпасын жасады. Қышқыл мен оттегі (екі кіріс) болмаған кезде (ішкі 0), тербиум орталығының флуоресценциясы қосылады (шығысы 1). Осылайша, жүйе молекулалық NAND қақпасы ретінде әрекет етеді. ортаңғы орын 305x305px орын екі енген молекулалық NAND логикалық қақпасы.

NOR молекулалық логикалық қақпасы

Акая мен оның әріптестері борадиазаиндацен жүйесін қолдана отырып молекулалық NOR қақпасын көрсетті. Жоғары эмиссиялы бордиазаиндаценнің (1) флуоресценциясы мырыш тұзы [Zn(II) ] немесе трифторлы тұз қышқылы (ТФҚ) бар болған кезде сөндіріледі. Осылайша жүйе NOR логикалық қақпасының шындық кестесін іске асыра алады. ортаңғы нүктесі 315x315px нүктесі екі кіру молекулалық NOR логикалық қақпасы.

Жартылай қосылған және жартылай алынатын молекулалық схемалар

10 Б суреттегі В қосылысында төменгі бөлімде үшінші амин тобы бар, ол да протонмен байланысуға қабілетті. Бұл жүйеде флуоресценция тек екі катионның да болуы кезінде ғана болады. Екі катионның болуы фотоиндуцированды электронды трансфертке (PET) кедергі келтіреді, бұл B қосылысының флуоресценциясына мүмкіндік береді. Екі немесе бір ионның да болмауы кезінде флуоресценцияны ПЕТ сөндіреді, бұл азот атомынан немесе оттегі атомдарынан немесе екеуінен де антраценил тобына электронды көшіруді қамтиды. Екі рецепторды кальций иондары мен протондармен байланыстыру кезінде екі ПЭТ арнасы да жабылады. B қосылысының жалпы нәтижесі AND логикасы, өйткені "1" (флуоресценция) шығысы тек Ca2+ және H+ ерітіндіде болған кезде ғана пайда болады, яғни "1" мәндері бар. Екі жүйе қатар жұмыс істегенде және А жүйесі үшін өткізгіштік пен В жүйесі үшін флуоресценция мониторингі жүргізілгенде, нәтиже 1 + 1 = 2 теңдеуін қайта шығаруға қабілетті жартылай қосушы болады. ортасында тұрған саусағы бар 493x493px саусағы бар АД қақпалары негізінде үш еселік кіріс жартылай қосу жүйесі.

Иондарды химиялық анықтау

Фтор (F) және ацетат (CH3COO) аниондары адам денсаулығы мен әл-ауқаты үшін ең маңыздыларының бірі болып табылады. Алғашқысы денсаулық сақтау саласында кеңінен қолданылса да, оның уыттылығы мен қоқыс жұтатынымен танымал. Соңғысы алкалозға әкелуі мүмкін және белгілі бір концентрациядан тыс метаболистік жолдарға әсер етеді. Сондықтан сулы ортада осы аниондарды анықтау әдістерін әзірлеу өте маңызды. Бхат және басқалар. F- және CH3COO аниондарына селективті байланатын рецепторлармен INHIBIT қақпасын жасады. Жүйе аниондардың концентрациясын анықтау үшін колориметриялық шығыс ретінде сіңірудің өзгеруін қолданды. Вэн және оның әріптестері сонымен қатар Fe3+ және EDTA-мен INHIBIT молекулалық логикалық қақпасын және ерітінділердегі темір иондарын анықтау үшін флуоресценттік шығыс құралын жасады. Жүйенің флуоресценциясы егер және тек Fe3+ еншісі болса және EDTA болмаса ғана өшіріледі. Ауыр металл иондары адам денсаулығына қауіп төндіреді, себебі олар улы және аз ыдырайды. Cd2+, Hg2+/Pb2+, Ag+ сияқты иондарды анықтау үшін бірнеше молекулалық логикалық қақпаға негізделген жүйелер жасалды. Өз жұмыстарында Чен және оның әріптестері логикалық қақпаға негізделген жүйелерді күріш үлгілеріндегі Cd2+ иондарын анықтау үшін қолдануға болатынын көрсетті, осылайша азық-түлік материалдарында қауіпсіздікті анықтау үшін дарынды кеңейтті. Сондықтан қатерлі ісік клеткаларын ертерек анықтап алу өте маңызды. Бұл анықтауда маңызды биомаркер - микроРНК (миРНК) өзінің экспрессиялық үлгілері арқылы маңызды рөл атқарады. Zhang және басқалар. INHIBIT OR қақпасының каскадын көрсетті, Юэ және оның серіктестері екі миРНК кірісі мен кванттық нүкте фотолюминесценция шығысы бар жүйені құру үшін AND қақпасын қолданды, және Peng және басқалар. Сонымен қатар, миРНК-ны ісік жасушаларынан бір мезгілде анықтау үшін AND шлюзі негізінде қос енгізу жүйесін жасады. Аққая және басқалар. фотодинамикалық терапия үшін логикалық қақпаның қолданылуын көрсетті. Тақ эфиріне және аралықпен бөлінген екі пиридил тобына қосылған бодипи бояуы AND логикалық қақпасы бойынша жұмыс істейді. Молекула 660 нм-де салыстырмалы жоғары натрий және протон иондары концентрациясы жағдайында сәулелендіру кезінде триплетті оттегіне цитотоксикалық синглетті оттегіне айналдыру арқылы фотодинамикалық агент ретінде жұмыс істейді. Бұл үлгідегі үлгіде ісік тініндегі натрий деңгейі жоғары және қалыпты жасушадағы деңгеймен салыстырғанда төмен рН деңгейі пайдаланылады. Осы екі қатерлі ісікпен байланысты жасушалық параметрлер қанағаттандырылған кезде, сіңіру спектрінде өзгеріс байқалады. Бұл әдіс қатерлі ісіктерді емдеуде пайдалы болуы мүмкін, өйткені ол инвазивті емес және ерекшеленеді. ортасында 353x353px екі кіріс және фотодинамикалық терапиялық қолданбалар бар логикалық қақпасы бар.

ДНҚ есептеу және логикалық есептеу

ДНК есептеу концепциясы деректердің жаппай көбеюіне байланысты сақтау тығыздығы мәселелерін шешудің бір жолы ретінде пайда болды. Теориялық тұрғыдан алғанда, бір грамм бір жіпті ДНК-да 400 эксабайттан астам (1020 байт) деректерді нуклеотидке екі бит тығыздықпен сақтауға болады. Леонард Адлеман бұл саланы 1994 жылы құрған деп есептеледі. Жақында молекулалық логикалық қақпалар жүйесі ДНК есептеу модельдерінде қолданылды. Масси мен оның әріптестері AND, OR, NAND және NOR молекулалық логикалық қақпаларының каскадтарын пайдалана отырып, фотоникалық ДНК молекулалық логикалық схемаларын жасады. Олар лантаноид кешендерін флуоресценттік маркерлер ретінде қолданды, ал олардың люминесценттік шығыстары ДНҚ-ның түйіндерінің түйіншектерінде FRET негізделген құрылғылармен анықталды. Кемпбелл және басқалардың еңбектері. ДНҚ кроссоверлік плиткаларға негізделген NOT, AND, OR және XNOR логикалық жүйелерін көрсету туралы, Бэдер және оның серіктестері ДНҚ G төрт еселік құрылымын YES, AND және OR логикалық операцияларды жүзеге асыру үшін манипуляциялау туралы, Чаттерджи және оның әріптестері ДНҚ оригами беттеріндегі реактивті ДНҚ шаштықтарды пайдалана отырып логикалық қақпаларды құру туралы - бұл логикалық қақпаға негізделген ДНҚ есептеу саласындағы прогресті белгілейтін кейбір мысалдар.

Нанороботика және озық машиналар

Нанороботтардың дәрі-дәрмектерді жеткізу процестерін және биологиялық есептеулерді өзгертуге мүмкіндігі бар. Ллопис Лоренте және оның серіктестері логикалық операцияларды орындайтын және глюкоза мен мочевина туралы ақпаратты өңдей алатын наноробот жасады. Тюбагер және оның әріптестері химиялық заттарды сұрыптауға қабілетті ДНК молекулалық нанороботты жасады. Жүйе қосымша қуатсыз жұмыс істей алды, өйткені робот ДНК-ның оригами бетінде екі аяғымен жүре алды. Оның жүк тасу үшін бір қолы болды. Молекулалық ретті логиканы Margulies және басқалар мысалға келтіреді, онда олар бірнеше өзара байланысты ЖӘНЕ логикалық қақпаларды қатар қамтитын электрондық қауіпсіздік құрылғысының өңдеу қабілеттеріне ұқсас молекулалық пернетақтаның кілтін көрсетеді. Бұл молекула банкоматтың электронды пернесін еліктейді. Шығу сигналдары тек кіріс комбинациясына ғана емес, сонымен қатар кіріс жүйелерінің дұрыс ретіне де байланысты; яғни дұрыс парольді енгізу керек. Молекула пирен және флюоресцеин флюорофорлары арқылы жасалған, олар сидероформен байланысқан, ол Fe ((III) -ге байланады, ал ерітіндідегі қышқыл флюоресцеин флюорофорының флуоресценция қасиеттерін өзгертеді. Молекулалық логикалық қақпа жүйелері жартылай өткізгіштер нано өлшемдерге жақындаған кезде пайда болатын проблемаларды теориялық тұрғыдан жеңе алады. Молекулалық логикалық қақпалар кремнийлік аналогтарына қарағанда көпжақты, яғни жартылай өткізгіш электроникада жоқтығы бар суперпозицияланған логика сияқты құбылыстармен.