基于微流控芯片的DNA計(jì)算研究.pdf

1、晶體管電路逐漸接近其性能極限，使得傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)在工作頻率和計(jì)算速度等方面受到局限，近年來(lái)，科學(xué)家們開始探索新的計(jì)算模型來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子計(jì)算。其中DNA計(jì)算機(jī)因其高度并行性、海量的存儲(chǔ)能力等優(yōu)點(diǎn)受到科學(xué)界的極大青睞。而邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算是計(jì)算機(jī)運(yùn)算系統(tǒng)中最基本的功能，因此，研究DNA計(jì)算系統(tǒng)中的邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算是實(shí)現(xiàn)DNA計(jì)算機(jī)功能的關(guān)鍵。DNA計(jì)算離不開傳統(tǒng)的生化反應(yīng)，而生化反應(yīng)存在著設(shè)備體積龐大、過(guò)程復(fù)雜、難以操控的不足。在微流控

2、芯片上利用微細(xì)加工技術(shù)制備各種模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)不僅具有體積小、攜帶方便、樣品消耗少等優(yōu)點(diǎn)，而且能為設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化的DNA計(jì)算機(jī)提供有力的技術(shù)支撐。因此，基于微流控芯片的DNA計(jì)算系統(tǒng)的研究成為新的熱點(diǎn)。
　　本文采用分子信標(biāo)代替DNA分子作為運(yùn)算操作數(shù)的載體，并將DNA計(jì)算系統(tǒng)的理念與微流控技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了完成邏輯運(yùn)算以及N位二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算的微流控芯片，并詳細(xì)說(shuō)明了芯片完成運(yùn)算的方法及過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了完成

3、運(yùn)算所需的溫度控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及其軟件編程環(huán)境，并給出了其供電、溫度采集、溫度控制等硬件模塊的具體設(shè)計(jì)方法及功能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。為了實(shí)時(shí)地控制溫度，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法跟蹤溫差信號(hào)，并在MATLAB仿真環(huán)境下對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字PID算法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法跟蹤單位階躍信號(hào)進(jìn)行仿真比較，結(jié)果說(shuō)明RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法具有更好的跟蹤響應(yīng)效果。最后，設(shè)計(jì)了檢測(cè)運(yùn)算結(jié)果的熒光檢測(cè)處理系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并

4、根據(jù)熒光產(chǎn)生的機(jī)理，選擇合適的器件，設(shè)計(jì)了熒光檢測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)的基本電路，并利用Visual Basic軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)了檢測(cè)處理系統(tǒng)的上位機(jī)控制顯示界面。
　　一直以來(lái)，學(xué)者多致力于DNA計(jì)算的建模研究，研究其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的并不多見，且通過(guò)生化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)DNA計(jì)算一直面臨著最終解難檢測(cè)的問(wèn)題。利用微流控芯片內(nèi)流體的可控流動(dòng)對(duì)信息進(jìn)行加工和處理雖然仍處于萌芽階段，但是很可能成為未來(lái)信息處理領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，其潛力和影響不容忽視