人工DNA分子通信的接收器信息轉換接口

黃富鵬　閆浩

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

關鍵詞：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、納米技術和信息技術的進步增強了人們探索納米世界的能力，為納米機器的實現提供了技術支持。納米機器在藥物靶向運輸、納米物聯網等領域具有潛在的應用價值。然而，單個納米機器由于尺寸（1～100nm）小，只能在有限空間內執行非常簡單的任務[1]。為了克服這種限制，實現在更大范圍內完成更復雜、更精確的任務，學者們提出了將納米機器互聯，組建納米網絡。納米網絡通過納米機器之間的信息共享，擴展了納米機器的功能。

納米網絡的應用場景通常是微觀且富含水的生物環境，傳統的基于電磁波的通信技術受限于收發器體積和能耗等因素[2]，無法直接用于納米機器間的通信。自然界中存在大量天然納米機器，如細胞等，它們通過分子通信在微觀和富水生物環境中交換信息，形成穩定高效的天然生物納米網絡。受到自然界啟發，學者們提出了利用生物化學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勢，人工分子通信被認為是實現納米網絡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，尤其缺乏能夠執行穩定而連續信息傳遞的微觀人工分子通信實驗平臺，這是當前納米網絡研究中最主要的瓶頸問題。為了解決這個問題，學者們已經開展了探索性研究，實現了微觀人工分子通信實驗平臺的部分模塊，但尚未實現完整的實驗平臺。文獻[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出熒光信號作為響應，但響應速度緩慢，1比特信息需要435分鐘才能完成接收。文獻[5]也對工程大腸桿菌群作為微觀信號接收器進行了實驗研究。接收器大腸桿菌群在接收到信息分子后會發出綠色熒光蛋白信號作為響應。文獻[6]利用工程大腸桿菌和氧化還原反應機制，設計并實現了從微觀分子信號到宏觀電信號的轉換接口，然而轉換速度同樣較慢，需要若干小時才能完成1比特信息的轉換。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換接口，簡稱信號轉換接口。該信號轉換接口利用DNA堿基互補配對原理和電化學檢測技術，可以將微觀DNA分子信號轉換為宏觀電信號。信號轉換接口是一個表面修飾了與DNA信息分子序列互補的DNA探針的金薄膜電極，當電極表面的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性質發生改變，通過電化學阻抗譜檢測技術可以實時監測電極阻抗變化，進而獲取信號變化。實驗證明，本文提出的信號轉換接口能夠將微觀DNA分子信號實時轉換為宏觀電信號，1比特信息的轉換只需要300秒。這項工作對于微觀人工分子通信實驗平臺的系統構建具有重要意義。本工作的意義在于：拓展了實現微觀人工分子通信的機制，除了文獻中已經提出的大腸桿菌機制外，本工作證明了DNA技術也有望用于實現微觀人工分子通信平臺。此外，提高了接收器信號轉換接口的信息轉換速度。

二、基于DNA分子的人工分子通信接收器信號轉換接口的基本原理

基于DNA分子的人工分子通信接收器信號轉換接口的微觀DNA分子信號轉換宏觀電信號過程如圖1所示，信號轉換接口靜置在液體環境中，通過電化學工作站采用阻抗-時間測量法（IMPT，Impedance-Time），實時監控信號轉換接口的阻抗大小。實驗過程中采用了開關鍵控（OOK，On-Off Keying）的調制方式，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進入液體環境后，通過自由擴散和電場作用進行傳播。

當信號轉換接口上的DNA探針檢測接收到單鏈DNA時，互補配對形成雙鏈DNA結構，改變信號轉換接口表面的雙電層結構，使得信號轉換接口的阻抗發生變化，進而被電化學工作站上檢測到，實現微觀DNA信號到宏觀電信號的轉換。

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的電化學工作站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，測量結果更穩定，常用于固相與液相界面間的電化學過程測量。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換接口組成，如圖2所示。

三、信號轉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探針序列互補的單鏈DNA。

（二） 制備過程

信號轉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。最后將清洗后的金薄膜電極浸沒在DNA探針溶液中，置于4℃的環境中過夜，再取出用超純水清洗即可制備得到信號轉換接口。

四、實驗結果和分析

為了驗證提出的信號轉換接口的可行性，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鍵控的調制方式，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”，模擬輸入二進制信號，驗證信號轉換接口可行性。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小于實驗裝置內電解質溶液的體積。定義阻抗比值為信號轉換接口通過電化學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，信號轉換接口已經準備好接收微觀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，實驗結果如圖4所示。在溶液加入實驗裝置的時候，信號轉換接口的阻抗比值曲線出現了劇烈的波動，然后迅速回到穩定狀態，這是往實驗裝置中加入溶液時造成裝置內溶液震蕩導致的結果。

實驗過程中，多次加入不含DNA信息分子的溶液，信號轉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信號“1”的信號接收轉換實驗。連續接收四個“1”信號，實驗結果如圖5所示。可以看到，當加入濃度為20uM的DNA信息分子的溶液時，信號轉換接口的阻抗比值曲線同樣出現波動，然后恢復平穩，當此時的阻抗比值相對于加入DNA信息分子的溶液前出現了下降。對于連續四次加入的含有DNA信息分子的溶液，信號轉換接口的阻抗比值連續下降，曲線呈現出階梯狀，即四次微觀DNA分子信號均被信號轉換接口檢測接收，轉換為宏觀電信號變化。同時，注意到隨著檢測接收次數的增加，阻抗比值下降的幅度逐漸減小，這可能與信號轉換接口上的DNA探針結合DNA信息分子形成互補配對后，表面可探測的DNA探針數量減少有關系。

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

五、結束語

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

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

參? 考? 文? 獻

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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）;

上海市科委科技創新行動計劃（No.19510744900）;

上海智能診療儀器工程技術研究中心（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：數字全息或分子通信。