黃富鵬　閆浩

摘要：本文提出了一種實現(xiàn)人工DNA分子通信接收器中關(guān)鍵部件——信息轉(zhuǎn)換接口的方法。該信息轉(zhuǎn)換接口利用DNA堿基互補(bǔ)配對原理和電化學(xué)檢測技術(shù)，將微觀DNA分子信號轉(zhuǎn)換為宏觀電信號。我們開展了實驗研究，實驗結(jié)果證明，本文提出的信號轉(zhuǎn)換接口能夠準(zhǔn)確地將微觀DNA分子信號實時轉(zhuǎn)換為宏觀電信號。這項工作對于微觀人工分子通信實驗平臺的系統(tǒng)構(gòu)建具有重要意義。

關(guān)鍵詞：分子通信;人工分子通信;人工DNA分子通信

一、引言

近年來，生物科學(xué)、納米技術(shù)和信息技術(shù)的進(jìn)步增強(qiáng)了人們探索納米世界的能力，為納米機(jī)器的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。納米機(jī)器在藥物靶向運(yùn)輸、納米物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。然而，單個納米機(jī)器由于尺寸（1～100nm）小，只能在有限空間內(nèi)執(zhí)行非常簡單的任務(wù)[1]。為了克服這種限制，實現(xiàn)在更大范圍內(nèi)完成更復(fù)雜、更精確的任務(wù)，學(xué)者們提出了將納米機(jī)器互聯(lián)，組建納米網(wǎng)絡(luò)。納米網(wǎng)絡(luò)通過納米機(jī)器之間的信息共享，擴(kuò)展了納米機(jī)器的功能。

納米網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景通常是微觀且富含水的生物環(huán)境，傳統(tǒng)的基于電磁波的通信技術(shù)受限于收發(fā)器體積和能耗等因素[2]，無法直接用于納米機(jī)器間的通信。自然界中存在大量天然納米機(jī)器，如細(xì)胞等，它們通過分子通信在微觀和富水生物環(huán)境中交換信息，形成穩(wěn)定高效的天然生物納米網(wǎng)絡(luò)。受到自然界啟發(fā)，學(xué)者們提出了利用生物化學(xué)分子作為信息載體的人工分子通信。由于具有能耗低和生物相容性等優(yōu)勢，人工分子通信被認(rèn)為是實現(xiàn)納米網(wǎng)絡(luò)最可靠的通信方式之一[3]。

目前，人工分子通信的研究主要集中在理論方面，在實驗方面的研究極其有限，尤其缺乏能夠執(zhí)行穩(wěn)定而連續(xù)信息傳遞的微觀人工分子通信實驗平臺，這是當(dāng)前納米網(wǎng)絡(luò)研究中最主要的瓶頸問題。為了解決這個問題，學(xué)者們已經(jīng)開展了探索性研究，實現(xiàn)了微觀人工分子通信實驗平臺的部分模塊，但尚未實現(xiàn)完整的實驗平臺。文獻(xiàn)[4]通過實驗證明了工程大腸桿菌群可以作為微觀人工分子通信的信號接收器，能在接收到特定信息分子后發(fā)出熒光信號作為響應(yīng)，但響應(yīng)速度緩慢，1比特信息需要435分鐘才能完成接收。文獻(xiàn)[5]也對工程大腸桿菌群作為微觀信號接收器進(jìn)行了實驗研究。接收器大腸桿菌群在接收到信息分子后會發(fā)出綠色熒光蛋白信號作為響應(yīng)。文獻(xiàn)[6]利用工程大腸桿菌和氧化還原反應(yīng)機(jī)制，設(shè)計并實現(xiàn)了從微觀分子信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換接口，然而轉(zhuǎn)換速度同樣較慢，需要若干小時才能完成1比特信息的轉(zhuǎn)換。如上的研究，推動了微觀人工分子通信實驗平臺的研究進(jìn)展，但也存在局限。首先，這些研究都是限定于工程化大腸桿菌這一種人工納米機(jī)器。其次，工作速度緩慢，若干小時才能完成1比特信號傳遞。

針對上述瓶頸問題，本文提出了一個基于DNA分子的微觀分子信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換接口，簡稱信號轉(zhuǎn)換接口。該信號轉(zhuǎn)換接口利用DNA堿基互補(bǔ)配對原理和電化學(xué)檢測技術(shù)，可以將微觀DNA分子信號轉(zhuǎn)換為宏觀電信號。信號轉(zhuǎn)換接口是一個表面修飾了與DNA信息分子序列互補(bǔ)的DNA探針的金薄膜電極，當(dāng)電極表面的DNA探針檢測接收到微觀DNA分子信號后，電極表面的雙電層電化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，通過電化學(xué)阻抗譜檢測技術(shù)可以實時監(jiān)測電極阻抗變化，進(jìn)而獲取信號變化。實驗證明，本文提出的信號轉(zhuǎn)換接口能夠?qū)⑽⒂^DNA分子信號實時轉(zhuǎn)換為宏觀電信號，1比特信息的轉(zhuǎn)換只需要300秒。這項工作對于微觀人工分子通信實驗平臺的系統(tǒng)構(gòu)建具有重要意義。本工作的意義在于：拓展了實現(xiàn)微觀人工分子通信的機(jī)制，除了文獻(xiàn)中已經(jīng)提出的大腸桿菌機(jī)制外，本工作證明了DNA技術(shù)也有望用于實現(xiàn)微觀人工分子通信平臺。此外，提高了接收器信號轉(zhuǎn)換接口的信息轉(zhuǎn)換速度。

二、基于DNA分子的人工分子通信接收器信號轉(zhuǎn)換接口的基本原理

基于DNA分子的人工分子通信接收器信號轉(zhuǎn)換接口的微觀DNA分子信號轉(zhuǎn)換宏觀電信號過程如圖1所示，信號轉(zhuǎn)換接口靜置在液體環(huán)境中，通過電化學(xué)工作站采用阻抗-時間測量法（IMPT，Impedance-Time），實時監(jiān)控信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗大小。實驗過程中采用了開關(guān)鍵控（OOK，On-Off Keying）的調(diào)制方式，將向裝置中加入單鏈DNA溶液代表“1”，向裝置中加入不含單鏈DNA的溶液代表“0”。單鏈DNA進(jìn)入液體環(huán)境后，通過自由擴(kuò)散和電場作用進(jìn)行傳播。

當(dāng)信號轉(zhuǎn)換接口上的DNA探針檢測接收到單鏈DNA時，互補(bǔ)配對形成雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，改變信號轉(zhuǎn)換接口表面的雙電層結(jié)構(gòu)，使得信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而被電化學(xué)工作站上檢測到，實現(xiàn)微觀DNA信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換。

本文使用到的實驗裝置由測試儀器和電極測量體系組成，其中測試儀器是上海辰華儀器公司生產(chǎn)的電化學(xué)工作站CHI660E，實驗裝置使用的電極測量體系為三電極測量體系，三電極測量體系由工作電極、對電極和參比電極組成，相對于兩電極測量體系，三電極體系測量更便捷，測量結(jié)果更穩(wěn)定，常用于固相與液相界面間的電化學(xué)過程測量。實驗裝置中的對電極為鉑絲（Pt）、參比電極為飽和氯化鉀/氯化銀電極（KCl/AgCl）、工作電極為電極夾和信號轉(zhuǎn)換接口組成，如圖2所示。

三、信號轉(zhuǎn)換接口使用的材料及制備過程

（一）使用的材料和試劑

本文中使用到的金薄膜電極是利用濺射技術(shù)在BK7玻璃上修飾了一層薄膜，其中，薄膜由3nm的鉻和47nm的金組成。本文中使用到的單鏈DNA材料均是從生工生物有限公司定制，其中，DNA探針是設(shè)計的長度為20個堿基的單鏈DNA，一端末尾修飾了巰基（-SH），DNA信息分子是與DNA探針序列互補(bǔ)的單鏈DNA。

（二） 制備過程

信號轉(zhuǎn)換接口的制備過程分為以下兩個步驟：清洗和修飾DNA探針，如圖3所示。首先將金薄膜電極加入無水乙醇中加熱煮沸10分鐘，取出用超純水清洗，再將金薄膜電極完全浸沒于濃度為30%的過氧化氫中，靜置10分鐘，取出用超純水清洗。通過清洗步驟去除金薄膜電極表面可能存在的雜質(zhì)。最后將清洗后的金薄膜電極浸沒在DNA探針溶液中，置于4℃的環(huán)境中過夜，再取出用超純水清洗即可制備得到信號轉(zhuǎn)換接口。

四、實驗結(jié)果和分析

為了驗證提出的信號轉(zhuǎn)換接口的可行性，本文做了如下三個實驗。

第一個實驗是往實驗裝置中加入不含DNA信息分子的溶液，第二個實驗是往實驗裝置中加入濃度為20uM的DNA信息分子的溶液，第三個實驗采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，將加入濃度為20uM的DNA信息分子的溶液代表“1”，加入不含DNA信息分子的溶液代表“0”，模擬輸入二進(jìn)制信號，驗證信號轉(zhuǎn)換接口可行性。其中，三個實驗每次往實驗裝置中加入溶液的時間間隔為300秒，每次加入的溶液體積均遠(yuǎn)小于實驗裝置內(nèi)電解質(zhì)溶液的體積。定義阻抗比值為信號轉(zhuǎn)換接口通過電化學(xué)工作站實時測量阻抗與最初測量阻抗的比值。

第一個實驗是空白對照實驗，信號轉(zhuǎn)換接口已經(jīng)準(zhǔn)備好接收微觀DNA分子信號，但在這個實驗中，加入實驗裝置的溶液中不含有DNA信息分子，實驗結(jié)果如圖4所示。在溶液加入實驗裝置的時候，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值曲線出現(xiàn)了劇烈的波動，然后迅速回到穩(wěn)定狀態(tài)，這是往實驗裝置中加入溶液時造成裝置內(nèi)溶液震蕩導(dǎo)致的結(jié)果。

實驗過程中，多次加入不含DNA信息分子的溶液，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值在1上下波動，說明阻抗比值不受到加入外部溶液的影響。

第二個實驗是輸入連續(xù)信號“1”的信號接收轉(zhuǎn)換實驗。連續(xù)接收四個“1”信號，實驗結(jié)果如圖5所示。可以看到，當(dāng)加入濃度為20uM的DNA信息分子的溶液時，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值曲線同樣出現(xiàn)波動，然后恢復(fù)平穩(wěn)，當(dāng)此時的阻抗比值相對于加入DNA信息分子的溶液前出現(xiàn)了下降。對于連續(xù)四次加入的含有DNA信息分子的溶液，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值連續(xù)下降，曲線呈現(xiàn)出階梯狀，即四次微觀DNA分子信號均被信號轉(zhuǎn)換接口檢測接收，轉(zhuǎn)換為宏觀電信號變化。同時，注意到隨著檢測接收次數(shù)的增加，阻抗比值下降的幅度逐漸減小，這可能與信號轉(zhuǎn)換接口上的DNA探針結(jié)合DNA信息分子形成互補(bǔ)配對后，表面可探測的DNA探針數(shù)量減少有關(guān)系。

第三個實驗為采用開關(guān)鍵控調(diào)制方式，模擬接收二進(jìn)制信號（1100），實驗結(jié)果如圖6所示。可以看到，在接收到“1”信號時，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值明顯下降，而在接收到“0”信號時，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值相對穩(wěn)定，基本保持不變。四個比特信號均被信號轉(zhuǎn)換接口正確接收轉(zhuǎn)換，證明了信號轉(zhuǎn)換接口的成功。

五、結(jié)束語

本文提出了一個基于DNA納米機(jī)器的微觀分子信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換接口，該轉(zhuǎn)換接口利用DNA堿基互補(bǔ)配對原理和電化學(xué)檢測方法，實現(xiàn)了微觀DNA分子信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換。通過將微觀DNA分子信號的二進(jìn)制序列成功轉(zhuǎn)換為宏觀電信號變化，證明了該轉(zhuǎn)換的可行性。同時，該轉(zhuǎn)換接口的實驗環(huán)境為封閉的實驗裝置，如何在實際復(fù)雜環(huán)境中對信號進(jìn)行準(zhǔn)確檢測接收，排除其他噪聲因素干擾，是后續(xù)工作的重點。

作者單位：黃富鵬? ? 閆浩? ? 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 儀器科學(xué)與工程系

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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基金項目：國家自然金資助項目（No.62071297 and No.61971314）;

上海市自然基金面上項目（No.19ZR1426500）;

上海市科委科技創(chuàng)新行動計劃（No.19510744900）;

上海智能診療儀器工程技術(shù)研究中心（15DZ2252000）。

黃富鵬（1996.10-），男，壯族，廣西，碩士生，研究方向：分子通信;

閆浩（1982.07-），女，漢族，上海，博士，副教授，研究方向：數(shù)字全息或分子通信。