● 摘要
现如今，随着电子元件的微形化趋势，其传统制作工艺所面临的挑战也日益显著，寻找新型手段辅助甚至代替传统硅基计算机已逐渐成为科学家们的研究重点。1994年，Adleman博士运用寡核苷酸链在试管中解决了一个数学上的经典图论问题，首次从实验上证明了分子计算的可行性。这一突破性的进展使得将DNA分子的自组装特性应用于计算成为可能，是新型计算机研究领域的热点。
本研究主要利用DNA自组装纳米技术分别构建了两个计算模型，不仅在理论上分析了模型的可行性，同时还实现了功能化的DNA微逻辑环路元件的组装，为日后创建基于DNA自组装的大规模逻辑集成电路起推动作用。具体工作如下：
（1）本文首先利用DNA/纳米金颗粒自组装结构，构建了一个求解最大团问题的分子计算模型。通过DNA/纳米金颗粒共聚体的自组装性、超大并行性等特征有效地降低了该问题的计算复杂度。根据算法的设计，代表每个顶点的两种状态（在团中或不在团中）的DNA/纳米金颗粒共聚体结构，通过与其互补杂交的DNA探针与代表下一顶点两种状态的共聚体结构连接起来，进而形成了含有六个金颗粒的串珠状结构，含有了所有的解，也就是初始解空间的生成；然后根据给出图中边的关系，设计特殊的识别DNA/纳米金颗粒结构用来检测非解。该结构能准确地与非解结合形成新的含有七个金颗粒的复杂结构，并通过电泳回收技术将非解排除；最后，在已排除非解的解空间中通过电泳回收得到最大团问题的真解。该模型由于它的时间和空间复杂度都很低，因此具有高效性。
（2）其次，设计了一个可以完成逻辑运算的荧光纳米颗粒分子信标机制。该机制包括三个逻辑运算模型：门Ⅰ是一个一级与门运算模型；门Ⅱ和门Ⅲ是通过链置换反应来调控的双层逻辑门运算模型。其中门Ⅱ是一个双输入的，并含有两个促发门和一个与门的逻辑运算模型。而门Ⅲ是一个含有四输入和三个与门的逻辑运算模型。与前面研究所不同的是，该研究具有以下两个特点：1）双层级联电路。在这个逻辑门系统中，单链DNA作为输入信号诱发了一系列可控的链置换反应，被置换的DNA链被释放出来。之后随着DNA链的释放荧光分子信标被促发。2）纳米金颗粒上附着DNA自组装结构。荧光纳米颗粒分子信标是由三条单链DNA组成的DNA 自组装结构构成的，其中两条DNA链被巯基化修饰。在生化实验验证过程中，逻辑运算的结果分别通过了三种方法检测。该研究为实现可控的分子逻辑运算体系奠定了基础。