Введение
Молекулярный логический шлюз - это молекула, которая выполняет логическую операцию на основе одного или нескольких физических или химических входов и одного выхода. Эта область перешла от простых логических систем, основанных на одном химическом или физическом входе, к молекулам, способным к комбинаторным и последовательным операциям, таким как арифметические операции (т. Е. Молекулаторы и алгоритмы хранения памяти). Молекулярные логические ворота работают с входными сигналами, основанными на химических процессах, и с выходными сигналами, основанными на спектроскопических явлениях. Логические ворота являются фундаментальными строительными блоками электрических схем. Они могут использоваться для построения цифровых архитектур с различной степенью сложности каскадом от нескольких до нескольких миллионов логических ворот. Логические ворота - это, по сути, физические устройства, которые производят единственный двоичный выход после выполнения логических операций, основанных на булевых функциях на одном или нескольких двоичных входах. Концепция молекулярных логических ворот, расширяющая применимость логических ворот к молекулам, направлена на преобразование химических систем в вычислительные единицы. За последние три десятилетия область развивалась, чтобы реализовать несколько практических приложений в молекулярной электронике, биосенсорных, ДНК вычислений, нанороботов и клеточной визуализации, среди других.
Принцип работы
Для логических ворот с одним входом существует четыре возможных выходной модели. Когда вход равен 0, выход может быть либо 0 или 1. Когда вход равен 1, выход может быть 0 или 1. Четыре выходной битовой модели, которые могут возникнуть, соответствуют определенному логическому типу: PASS 0, YES, NOT и PASS 1. PASS 0 всегда выдает 0, независимо от ввода. PASS 1 всегда выдает 1, независимо от ввода. YES выводит 1 когда вход 1, и NOT является обратным от YES выводит 0 когда вход 1. AND, OR, XOR, NAND, NOR, XNOR и INH - это два логических входных шлюза. Врата AND, OR и XOR являются фундаментальными логическими воротами, а ворота NAND, NOR и XNOR дополняют ворота AND, OR и XOR соответственно. Врата INHIBIT (INH) - это специальные условные логические ворота, которые включают запретительный вход. Когда запрещающий вход отсутствует, производимый выход зависит исключительно от другого входа.
История и развитие
Одна из самых ранних идей по использованию π-конъюгированных молекул в молекулярных вычислениях была предложена Ари Авирамом из IBM в 1988 году. Мотивацией для этой работы было разработать теоретические модели для смешанных валентных св-с-молекул и исследовать их стереохимические свойства для потенциальных применений в молекулярных устройствах. Система состояла из двух π-конъюгированных систем, 1 и 2, сделанных из олиготиофенов, соединенных спиросвязью, и соединенных с золотыми электродами тиольными связующими элементами. Система 1 не является проводящей в нейтральном состоянии, тогда как система 2 является электрически проводящей в своей радикальной катионной форме. Извилистая структура системы благодаря спиросвязи создает препятствие для транспортировки электронов между двумя π-системами. Однако, через электроды, направленные к связям, сильное электрическое поле может облегчить передачу электронов из системы 1 в систему 2, при этом радикальный катион идет в обратном направлении. [[Файл:Рисунок 2. Схема предложенного молекулярного электронного переключателя Aviram. png Radiuscenter Radiusthumb RadiusSchematic предлагаемого молекулярного электронного переключателя Aviram. В то время как молекулярные логические ворота YES, как описано ранее, могут преобразовывать сигналы из их ионных форм в фотонные (отсюда термин фотоионные), они являются единственными входными и единственными выходными системами. Для построения более сложных молекулярных логических архитектур необходимы два входных врата, а именно AND и OR. Некоторые ранние работы достигли некоторого прогресса в этом направлении, но не могли реализовать полную таблицу истинности, поскольку их ионные формы (протонированные) не могли связываться с подложкой во всех случаях. Де Силва и соавторы построили AND-шлюз на основе антрацена, состоящий из третичных аминов и бензо-18 крона-6 единиц, оба из которых, как известно, демонстрируют фотоиндуцированные процессы переноса электронов (PET). В показанной системе они оба действовали как рецепторы, соединенные с антраценовым флюорофором алкиловыми расстоятелями. ПЭТ гасится при координации с протонами и ионами натрия, соответственно, для двух рецепторов, и приведет антраценовую единицу к флуоресцированию. Таблица истинности для AND-ворот была полностью реализована, поскольку система будет показывать флуоресцентный выход только в присутствии как протонов, так и ионов натрия в системе. Центр имеет молекулярный и портальный.
Да молекулярная логическая шлюз
Пример логического ворот YES состоит из бензокоронного эфира, соединенного с циано-замещенным антраценовым блоком. Выход 1 (флуоресценция) получается только при наличии ионов натрия в растворе (что указывает на вход 1). Ионы натрия инкапсулируются короновым эфиром, в результате чего происходит гашение процесса ПЭТ и антраценовый блок становится флуоресцирующим. Центр "Объем" 275x275pxОбъем "Да" Молекулярная логическая шлюзка.
И молекулярная логическая шлюз
Этот молекулярный логический шлюз иллюстрирует переход от редоксовых люминесцентных переключателей к многовходным логическим шлюзам с электрохимическим переключателем. Этот логический шлюз включает в себя третий аминопротонный рецептор и тетратиафулваленный окислительно-восстановительный донор. Эти группы, присоединенные к антрацену, могут одновременно обрабатывать информацию о концентрации кислоты и окислительной способности раствора. Центр "Объем" имеет два входных и молекулярных датчика логического шлюза для протонов и электронов.
OR молекулярная логическая шлюз
Де Силва и др. построил молекулярный логический шлюз OR, используя рецептор эфира короны АЗА и ионы натрия и калия в качестве входных данных. Любой из двух ионов может связываться с короновым эфиром, вызывая гашение ПЭТ и включение флуоресценции. Поскольку любой из двух ионов (вход 1) мог включить флуоресценцию (выход 1), система напоминала логические ворота ОР. Центр имеет 328x328px, две входные молекулярные логические шлюзы.
Молекулярная логическая шлюз NAND
Паркер и Уильямс построили логические ворота NAND, основанные на включении сильного излучения из тербиевого комплекса феноантридина. Когда кислота и кислород (два входа) отсутствуют (вход 0), флуоресценция из тербиевого центра включается (выход 1). Таким образом, система действует как молекулярный NAND-шлюз. Центр имеет 305x305px, две входные молекулярные логические шлюзы NAND.
Молекулярная логическая шлюз NOR
Аккая и его коллеги продемонстрировали молекулярный NOR-шлюз с использованием системы бордиазаиндацена. Флуоресценция высокоэмиссивного бордиазаиндацена (ввод 1) была подавлена в присутствии либо соли цинка [Zn(II], либо трифторукислоты (TFA). Таким образом, система могла реализовать таблицу истинности логических ворот NOR. Центр имеет 315x315px, две входные молекулярные логические ворота.
Молекулярные схемы с полувытяжкой и полуотнимателем
На фиг.10B соединение B содержит в нижней части третичную аминогруппу, которая также способна связываться с протонами. В этой системе флуоресценция происходит только тогда, когда оба катиона доступны. Наличие обоих катионов препятствует фотоиндуцированному переносу электронов (PET), позволяя соединению B флуоресцировать. В отсутствие обоих или любого из ионов флуоресценция погашается ПЭТ, что включает в себя передачу электронов от атома азота или атомов кислорода, или от обоих к антраценил-группе. Когда оба рецептора связаны с ионами кальция и протонами соответственно, оба канала ПЭТ отключаются. Общий результат соединения B является логикой AND, поскольку вывод "1" (флуоресценция) происходит только тогда, когда и Ca2+ и H+ присутствуют в растворе, то есть имеют значения "1". При одновременном запуске обеих систем и при мониторинге пропускаемости для системы А и флуоресценции для системы В получается полуприбавка, способная воспроизвести уравнение 1 + 1 = 2. центр
center|thumb|493x493px|A triple input half adder system based on AND gates.
Химическое обнаружение ионов
Фторидные (F) и ацетатные (CH3COO) анионы являются одними из наиболее важных в контексте здоровья и благополучия человека. Первый, хотя и широко используется в здравоохранении, известен своей токсичностью и коррозионностью. Последние могут вызывать алкалоз и влиять на метаболические пути сверх определенной концентрации. Поэтому крайне важно разработать методы обнаружения этих анионов в водной среде. Бхат и другие. построен INHIBIT-шлюз с рецепторами, которые избирательно связываются с анионами F- и CH3COO. Система использовала изменения в поглощении в качестве колориметрического исходного значения для обнаружения концентрации анионов. Вэн и его коллеги также разработали молекулярный логический шлюз INHIBIT с Fe3+ и EDTA в качестве входов и флуоресцентного выхода для обнаружения ионов железа в растворах. Флуоресценция системы погашается, если и только если присутствует вход Fe3+ и отсутствует EDTA. Ионы тяжелых металлов представляют постоянную угрозу для здоровья человека из-за их присущей токсичности и низкой деградируемости. Для обнаружения ионов, таких как Cd2+, Hg2+/Pb2+ и Ag+, было построено несколько систем на основе молекулярных логических ворот. В своей работе Чен и его коллеги продемонстрировали, что системы на основе логических ворот могут использоваться для обнаружения ионов Cd2+ в образцах риса, тем самым расширяя область исследования до обнаружения безопасности в пищевых материалах. Поэтому крайне важно обнаружить раковые клетки на ранней стадии. Важный биомаркер, микроРНК (miRNA), имеет решающее значение в этом обнаружении через его образцы экспрессии. Чжан и др. В результате исследования, проведенного в рамках исследования "Медицинская технология и технологии" (Medicine and Technology in Medicine) в США, было установлено, что в результате исследования, проведенного в рамках исследования "Медицинская технология и технологии в медицине" (Medicine and Technology in Medicine) в США, были получены результаты, которые подтверждают, что в настоящее время существует множество методов, позволяющих выявить и устранить различные виды микроорганизмов, которые могут быть использованы для создания микроорганизмов. также создала систему двойного ввода на основе AND-гейт для одновременного обнаружения миРНК из опухолевых клеток. Аккая и др. Изобразили применение логических ворот для фотодинамической терапии в своей работе. Бодипи-красители, присоединенные к короновому эфиру и двум пиридильным группам, разделенным между собой расстояниями, работают в соответствии с логическим шлюзом AND. Молекула работает как фотодинамический агент при облучении на 660 нм в условиях относительно высоких концентраций натрия и протоновых ионов путем преобразования тройного кислорода в цитотоксический одиночный кислород. Этот прототипный пример будет использовать преимущества более высокого уровня натрия и более низкого pH в опухолевой ткани по сравнению с уровнями в нормальных клетках. Когда эти два клеточных параметра, связанных с раком, удовлетворены, наблюдается изменение в спектре абсорбции. Этот метод может быть полезен для лечения злокачественных опухолей, поскольку он неинвазивен и специфичен. Центр "Умный" 353x353px "Умный" с двумя входами и логическими шлюзами для фотодинамических терапевтических приложений.
Вычисления ДНК и логические вычисления
Концепция вычислений ДНК возникла как способ решения проблем с плотностью хранения из-за взрывающихся объемов информации. Теоретически, грамм одноцепочечной ДНК способен хранить более 400 эксабайт (порядка 1020 байтов) данных с плотностью двух бит на нуклеотид. Леонард Адлеман считается основателем этого направления в 1994 году. Недавно молекулярные логические системы ворот использовались в моделях вычислительной системы ДНК. Масси и его коллеги построили фотонические молекулярные логические схемы ДНК, используя каскады AND, OR, NAND и NOR молекулярных логических ворот. Они использовали лантаноидные комплексы в качестве флуоресцентных маркеров, и их люминесцентные выходы были обнаружены приборами на основе FRET на терминалах нити ДНК. Работы Кэмпбелла и др. на демонстрации логических систем NOT, AND, OR и XNOR на основе кроссоверных плиток ДНК, Бадер и соавторы на манипулировании структурой ДНК G-четырехслойной для реализации логических операций YES, AND и OR, а также Чаттерджи и соавторы на построении логических ворот с использованием реактивных штифтов ДНК на поверхностях оригами ДНК являются некоторыми примерами, которые отмечают прогресс в области логических вычислений ДНК на основе ворот.
Нанороботика и передовые машины
Нанороботы могут трансформировать процессы доставки лекарств и биологические вычисления. Ллопис Лоренте и его коллеги разработали наноробота, который может выполнять логические операции и обрабатывать информацию о глюкозе и мочевине. Тубагер и его коллеги разработали молекулярный ДНК-наноробот, способный сортировать химический груз. Система могла работать без дополнительной энергии, так как робот был способен ходить по поверхности оригами ДНК на двух ногах. У него также была рука для перевозки груза. Молекулярная последовательная логика приведена в примере Margulies et al., где они демонстрируют молекулярный блокировщик клавиатуры, напоминающий обрабатывающие возможности электронного устройства безопасности, который эквивалентен включению нескольких взаимосвязанных AND логических ворот параллельно. Молекула имитирует электронную клавиатуру банкомата. Выходные сигналы зависят не только от комбинации входных сигналов, но и от правильного порядка входных сигналов, т.е. необходимо ввести правильный пароль. Молекула была разработана с использованием пиренных и флуоресцеиновых флуорофоров, соединенных сидерофором, который связывается с Fe ((III), и кислотность раствора изменяет свойства флуоресценции флуоресцеинового флуорофора. Молекулярные логические системы ворот теоретически могут преодолеть проблемы, возникающие при приближении полупроводников к наноразмерным измерениям. Молекулярные логические ворота более универсальны, чем их кремниевые аналоги, с такими явлениями, как наложенная логика, недоступная для полупроводниковой электроники.