분자 논리 게이트

Molecular logic gate
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분자 논리 관문은 하나 이상의 물리적 또는 화학적 입력과 단일 출력에 기초한 논리적 연산을 수행하는 분자를 말한다.이 분야는 단일 화학적 또는 물리적 입력을 기반으로 하는 단순한 논리 시스템에서 산술 연산, 즉 몰수 계산기 및 메모리 저장 알고리즘과 같은 조합 및 순차 연산이 가능한 분자로 발전했다.

단일 입력을 가진 논리 게이트의 경우 4가지 출력 패턴이 가능하다.입력이 0이면 출력은 0이나 1이 될 수 있다.입력이 1이면 출력은 다시 0이나 1이 될 수 있다.발생할 수 있는 네 가지 출력 비트 패턴은 특정 로직 유형인 PASS 0, YES, NOT, PASS 1에 해당된다. PASS 0은 입력이 무엇이든 항상 0을 출력한다.PASS 1은 입력이 무엇이든 항상 1을 출력한다.YES는 입력이 1일 때 1을 출력하고 NOT가 역 YES일 때 - 입력이 1일 때 0을 출력한다.YES 로직 게이트의 예는 아래와 같은 분자 구조다."1" 출력은 나트륨 이온이 용액("1" 입력)에 존재하는 경우에만 주어진다.

A YES molecular logic gate receptive to sodium ions

분자 논리 관문은 화학적 공정에 기반한 입력 신호와 분광법에 기반한 출력 신호로 작동한다.초기 용액 기반 시스템 중 하나는 체계 1에서 화합물 A와 B의 화학적 작용을 이용한다.[1]

Scheme 1. Molecular logic gates de Silva 2000

화합물 A는 칼슘에 결합할 수 있는 4개의 카르복실산 음이온 그룹(및 비분리 카운터 양이온)을 함유한 상단 수용체를 가진 푸시풀 올레핀이다.하단은 수소 이온의 수용체인 퀴놀린 분자다.논리 게이트는 다음과 같이 작동한다.Ca2+ 또는 H의+ 화학적 입력이 없으면 색소체는 390 nm의 UV/VIS 분광에서 최대 흡광도를 나타낸다.칼슘이 도입되면 파란색 시프트가 일어나고 390nm의 흡광도가 감소한다.마찬가지로 양성자의 추가는 적색 이동을 유발하고 두 양이온 모두 물 속에 있을 때 순 결과는 원래 390nm에서 흡수된다.이 시스템은 흡수 시 XNOR 로직 게이트와 투과 시 XOR 로직 게이트를 나타낸다.

복합체 B에서 이제 하단 부분은 양성자에 결합할 수 있는 3차 아미노 그룹을 포함하고 있다.이 시스템에서 형광은 두 계수가 모두 사용 가능한 경우에만 발생한다.두 양이온의 존재는 복합체 B가 형광 투시를 할 수 있는 광 유도 전자 전달(PET)을 방해한다.둘 다 또는 어느 한쪽 이온이 없을 때, 형광은 질소 원자나 산소 원자 또는 둘 다로부터 전자가 무연탄 그룹으로 전달되는 것을 수반하는 PET에 의해 가라앉는다.두 수용체가 각각 칼슘 이온과 양성자에 결합하면 두 PET 채널이 모두 차단된다.복합 B의 전체적인 결과는 AND 논리인데, "1"(불색)의 출력은 Ca와2+ H+ 모두 용액에 있을 때, 즉 "1"로 값을 가질 때에만 발생하기 때문이다.두 시스템이 병렬로 실행되고 시스템 A에 대한 투과율 모니터링과 시스템 B에 대한 형광도 모니터링을 통해 결과는 등식 1+1=2를 재현할 수 있는 반첨가식이다.

시스템 B의 변경에서 2개가 아니라 3개의 화학적 입력이 AND 로직 게이트에서 동시에 처리된다.[2]강화된 형광 신호는 각각의 아민, 페닐디아미노카르복실산염 및 크라운에테르 수용체와의 상호작용을 통해 과잉 양성자, 아연 및 나트륨 이온의 존재에서만 관측된다.처리 모드는 위에서 설명한 것과 유사하게 작동하며, 수용체에서 흥분한 무연탄 불소포레로의 광 유도 전자 전달 반응의 방지로 인해 형광이 관찰된다.3개의 이온 입력이 1개, 2개 또는 모두 없을 경우 낮은 형광 출력이 발생한다.다른 이온의 농도 증가는 높은 형광을 내지 않기 때문에 각 수용체는 특정 이온에 대해 선택적이다.조합 AND 논리에 따라 형광 출력을 달성하려면 각 입력의 특정 농도 임계값에 도달해야 한다.이 프로토타입은 향후 질병 검진을 위한 치료 시점 의료 진단 애플리케이션으로 확장될 수 있다.

A three-input AND logic gate

유사한 설정에서, 아래에 설명된 분자 논리 게이트는 전기화학 스위치를 가진 리독스 형광 스위치에서 멀티 입력 논리 게이트로 발전하는 것을 보여준다.[3]이 2입력 AND 논리 게이트는 3차 아민 양성자 수용체와 4차 아민풀벨렌 레독스 기증자를 통합한다.이들 그룹은 무연탄에 부착되었을 때 용액의 산농도와 산화 능력에 관한 정보를 동시에 처리할 수 있다.

A two-input AND molecular logic gate sensor for protons and electrons

억제Gunnlaugsson 등이 제공한 아래에 설명된 IT 논리 게이트는 첼레이트 복합체에 Tb3+ 이온을 포함한다.[4]이 2입력 논리 게이트는 그 종류 중 최초의 것으로 화학적 입력과 인광 출력으로 비확장적 행동을 나타낸다.다이옥시겐(입력 1)이 존재할 때마다 시스템은 응결되고 인광은 관찰되지 않는다(출력 0).두 번째 입력인 H도+ 출력 "1"이 관찰되려면 존재해야 한다.이것은 2입력 억제로부터 이해된다.IT 진리표.

Two-input INHIBIT logic gate

또 다른 XOR 로직 게이트 시스템에서 화학은 체계 3에 묘사된 가성비에[5] 기초한다.유기용액에서 전자 결핍 디아자페리늄 소금(로드)과 크라운 에테르(링)의 전자 풍부함 2,3-다이옥시나프탈렌 단위들은 전하 전달 복합체를 형성하여 자체 조립한다.

트리뷰티아민 같은 첨가된 3차 아민은 디아자피렌과 함께 1:2 인덕트를 형성하고 콤플렉스는 디스트레딩된다.이 프로세스에는 자유 크라운 에테르로 인한 343nm의 방출 강도가 증가한다.첨가된 트리플루오로메탄네술폰산은 아민과 반응하고 그 과정은 되돌아간다.과잉산은 양자로 크라운 에테르를 잠가 다시 콤플렉스를 분리시킨다.

Scheme 3. Pseudorotaxane logic gate

플루오르세인을[6] 기반으로 한 완전한 애더 시스템은 1+1+1=3을 계산할 수 있다.

분자순차논리는 D에 의해 예시된다.Margulies 외 연구진은 여러 개의 상호 연결된 AND 논리 게이트를 병렬로 통합하는 것과 동등한 전자 보안 장치의 처리 능력을 닮은 분자 키패드 잠금을 시연한다.[7]이 분자는 현금 자동 입출금기의 전자 키패드를 흉내낸다.출력 신호는 입력의 조합뿐만 아니라 정확한 입력 순서에 따라 달라진다. 즉, 올바른 암호를 입력해야 한다.이 분자는 Fe(III)와 결합하는 사이더로포어에 의해 연결된 피렌과 플루오레신 플루오르소포어를 사용하여 설계되었으며, 용액의 산성은 플루오레신 플루오르소포어의 형광 특성을 변화시킨다.

이 분야의 추가 발전으로 IT 산업에서 분자 논리 관문이 반도체를 대체할 수도 있을 것이다.이런 분자체계는 이론적으로 반도체가 나노차원(nano-dimension)에 접근할 때 발생하는 문제를 극복할 수 있다.분자 논리 관문은 실리콘보다 다재다능하며, 반도체 전자공학에서는 초점화된 논리 같은 현상이 불가능하다.아보리스와 동료들이 보여준 것과 같은 건조한 분자 게이트는 크기가 작고 유사한 인프라와 데이터 처리 능력이 있기 때문에 반도체 소자의 대체 가능한 것으로 입증된다.아보리스는 탄소 나노튜브 뭉치로 구성된 NOT 논리 게이트를 공개했다.나노튜브는 인접한 지역에서 서로 다르게 도핑되어 두 개의 보완적 현장 효과 트랜지스터를 만든다.번들은 만족스러운 조건이 충족되어야만 NOT 논리 게이트로 작동한다.

화학 논리 관문의 새로운 잠재적 적용은 계속 탐구되고 있다.최근의 연구는[8] 광역학 치료를 위한 논리 게이트의 적용을 예시하고 있다.크라운 에더에 부착된 보디피 염료와 스페이서로 분리된 두 개의 피리딜 그룹(아래 그림 참조)은 AND 논리 게이트에 따라 작용한다.이 분자는 상대적으로 높은 나트륨과 양성자 이온 농도의 조건에서 660nm에서 조사 시 광역학적 물질로 작용하여 트리플트 산소를 세포독성싱글렛 산소로 변환시킨다.이 프로토타입 예는 정상 세포의 수준에 비해 종양 조직에서 더 높은 나트륨 수치와 더 낮은 pH를 이용할 수 있다.이 두 가지 암 관련 세포 매개 변수가 충족되면 흡광도 스펙트럼에서 변화가 관찰된다.이 기술은 비침습적이고 구체적이기 때문에 악성 종양의 치료에 유용할 수 있다.

Two-input AND logic gate by Ozlem and Akkaya with photodynamic therapeutic applications

분자 논리 게이트는 de Silva의 'Proof-of-Principle'에서 볼 수 있는 설정처럼 변조기를 처리할 수 있지만 동일한 분자에 다른 논리 게이트를 통합한다.그러한 기능을 통합논리라고 하며, A에 의해 도해된 BODIPY 기반의 반감속기 논리 게이트가 예시하고 있다.코스쿤, E. U. Akkaya와 그들의 동료들(아래 그림 참조).[9]565 nm와 660 nm, XOR 및 억제 두 개의 다른 파장에서 모니터링할 때IT 논리 관문은 각각의 파장에서 얻는다.THF의 이 화합물에 대한 광학 연구는 565 nm의 흡광도 피크와 660 nm의 방출 피크를 보여준다.산을 추가하면 3차 아민의 양성자가 내부 전하 전달을 초래함에 따라 두 피크의 저소색 변화가 발생한다.관측된 배출물의 색상은 노란색이다.강한 염기 외에 페놀 수산화군도 디프로톤화 되어 광 유도 전자 전이가 일어나게 되고, 이는 결국 분자를 비방사성으로 렌더링하게 된다.산과 염기를 더하면, 3차 아민은 양성화되지 않고 히드록실 그룹은 양성화되지 않아 PET와 ICT가 모두 부재하게 되기 때문에 분자의 방출은 붉은색으로 관찰된다.방출 강도의 큰 차이 때문에 이 단일 분자는 나노 크기 수준에서 산술 연산, 뺄셈을 수행할 수 있다.

Two-input integrated logic gate

참고 항목

참조

  1. ^ 프라사나 데 실바와 네이선 D.매클레나한분자 척도 산술J의 원리 증명. 암. 화학. Soc.2000, 122, 16, 3965–3966. doi:10.1021/ja994080m
  2. ^ 데이비드 C.마그리, 가레스 J. 브라운, 가레스 D.맥클린과 A.프라사나 데 실바.통신 화학 회중: 세 가지 화학적 입력을 "실험실(Lab-on-Molecula)" 프로토타입 J. Am.의 분자 및 로직 게이트. Chem. Soc. 2006, 128, 4950–4951. (통신)doi:10.1021/ja058295
  3. ^ 데이비드 C.마그리. 전자와 양자에 의해 움직이는 형광과 논리 게이트.뉴 J. Chem. 2009, 33, 457–461.
  4. ^ T. Gunnlaugsson, D.A. MacDonail and D.파커, 화학. 코뮌.2000, 93.
  5. ^ 알베르토 크레디, 빈첸초 발자니, 스티븐 J. 랭포드, J. 프레이저 스토다르트.분자 수준의 논리 연산. 분자 기계 J. Am을 기반으로 한 XOR 게이트. Chem. Soc. 1997,119, 2679–2681. (조항) doi:10.1021/ja963572l
  6. ^ 데이비드 마굴리스, 갈리나 멜먼, 아브라함 샨저.분자 전체 접착제와 전체 추출기, 몰이식기 J. Am을 향한 추가 단계. Chem. Soc. 2006, 128, 4865–4871. (조항) doi:10.1021/ja058564w
  7. ^ 데이비드 마굴리스, 갈리나 멜먼, 아브라함 샨저.분자 키패드 잠금 장치: 암호 입력을 승인할 수 있는 광화학 장치. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 347–354.
  8. ^ S. 오스렘과 E.U. Akkaya.실리콘 박스 밖에서 생각하는 것: 광역학 치료를 위한 싱글릿 산소 생성에서 선택성의 추가 계층으로서의 분자 AND 논리. J. Am. Chem. 2009년 131, 48-49
  9. ^ A. 코스쿤, E. 데니즈, E.U. Akkaya.보라디아자인다센 방출의 효과적인 PET 및 ICT 전환: 재구성 가능한 논리 관문을 가진 단분자, 방출 모드, 분자 반감쇄기.조직. 2005년 5187–5189.

외부 링크