基于DNA链置换反应的组合逻辑电路设计与仿真研究

摘要

高性能科学计算的需求不断增加，而传统电子计算机的元器件制作工艺已近极限，科学界正在寻找全新的计算模型，来突破现有计算体系的限制。生物计算以其并行性高、能耗低、信息存储量大等特点广受关注。DNA分子的双螺旋结构，以及Watson-Crick碱基互补配对原则，让其在电路设计中更加具有可操作性，基于DNA的分子计算模型的研究方兴未艾。其中，Winfree及其研究团队提出一种简单的seesaw模块，用以构建大规模逻辑电路。但由于化学反应的不完全性和动态性等特点，以DNA分子作为材料的电路还面临很多的问题。
　　本文首先对seesaw门模块进行了详细介绍，并进行仿真分析，发现随着seesaw门输出的增加，输出分子的浓度产生一些变化，处在高浓度的分子浓度会降低，而处在低浓度的分子浓度又会偏高;同时，基于DNA链置换反应和自组装技术，设计并通过实验验证了一个“OR”逻辑功能模块;随后在seesaw门模块的架构设计原则和方法之上，设计了一些常用的逻辑电路，如加法器、比较器、乘法器等，接着将这些不同规模的分子电路放到Mathematica平台下进行化学反应级的仿真，对仿真结果进行读取和验证;在研究分析仿真结果的同时，发现随着分子电路规模的扩大，输出结果逐渐出现偏差，以至于无法正常读出，这主要是由于当电路达到一定规模时，输入的扇出增多，造成表示低浓度的分子浓度超过预设的阈值;在分析调试的过程中，本文还提出了一种电路调试监测方法，可以监测分子电路中任一点的中间结果，对电路的调试起到了关键的作用。本文的研究工作，对利用DNA分子构建大规模分子电路具有一定的意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 生物分子逻辑电路的国内外研究现状

1．2．1 体内分子逻辑电路

1．2．2 体外分子逻辑电路

1．3 本文的主要工作及创新之处

1．3．1 本文的研究内容

1．3．2 本文的创新之处

1．4 本文的组织结构

1．5 本章小结

第二章 DNA分子组合逻辑电路设计基础

2．1 DNA分子结构

2．1．1 DNA分子结构

2．1．2 DNA操作技术

2．2 化学反应动力学

2．3 数理逻辑基础

2．3．1 与运算

2．3．2 或运算

2．3．3 非运算

2．3．4 扇出系数

2．3．5 线性阈值门和双轨电路

2．4 本章小结

第三章 基于DNA链置换反应的基本逻辑门分析与设计

3．1 DNA链置换反应

3．2 seesaw门

3．2．1 seesaw门的原理

3．2．2 seesaw电路的化学反应模型

3．2．3 seesaw门的仿真研究

3．3 与门和或门的实现

3．4 seesaw电路组件表示形式和圈形

3．5 一种新型DNA分子“OR”逻辑设计与实验验证

3．5．1 分子“OR”逻辑电路的设计

3．5．2 生物实验试剂及配置

3．5．3 实验操作步骤

3．5．4 实验结果分析

3．6 本章小结

第四章 加法器电路的设计、仿真与研究

4．1 半加器的设计仿真

4．1．1 半加器的设计

4．1．2 seesaw分子电路在Mathematica中的仿真

4．2 全加器的设计仿真

4．2．1 全加器的设计

4．2．2 Mathematica仿真

4．3 两位加法器的设计仿真

4．3．1 串行两位加法器的设计仿真

4．3．2 先行进位两位加法器的设计仿真

4．4 基于两位串行加法器的分析

4．4．1 电路中间结果监测方法

4．4．2 两位串行加法器电路分析

4．5 本章小结

第五章 比较器和乘法器的设计与分析

5．1 比较器的设计仿真

5．1．1 一位二进制数的比较器

5．1．2 —位二进制比较器仿真结果

5．1．3 两位判断是否相等的比较器设计仿真

5．2 乘法器的设计仿真

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研情况

致谢

附录1 电路圈及电路描述

附录2 数据表