自从英国数学家Turing于1936年开创性的提出图灵计算机模型以来,电子计算机就在各个领域得到了迅猛发展,并一跃成为了 20世纪三大科学革命之一,其对社会的发展和进步产生了巨大的促进作用。但随着21世纪社会和科学技术等的迅猛发展,集成电路的复杂程度、超高速的运算能力以及硅晶板的存储能力都遇到了瓶颈,传统电子计算机在各领域的发展都遭遇了前所未有的挑战,其运算能力也越来越接近技术所能达到的极限。在过去的几十年间,科学家们都在寻找可靠的替代物(或补充物),这其中就包括神经网络计算机、量子计算机、分子计算机等一系列计算装置。DNA计算机的出现具有划时代的意义,其引发了生物界和其他各界研究者的广泛关注,其独特的超微结构使得DNA计算机拥有超大存储容量、超高速的运行速度以及外观的微型化,并逐渐被人们用于解决各个生物领域的各种复杂问题,包括应用数学领域的NP完全问题、SAT问题等,生物化学领域的药物筛选和疾病的快速检测等,环境科学领域的快速检测等。这其中最引人注意的就是DNA分子强大的存储能力,比如,2013年,欧洲生物信息研究所Goldman团队成功将2.2PB的信息存储至一克中的DNA中。到2016年7月,华盛顿大学和微软宣布他们研究的存储量已经达到了 200MB。我们相信,DNA计算在未来可以发挥更多强大的功能。在文章开头,我们首先简单的阐述了生物计算的研究背景、研究意义和国内外研究现状。其次,详细介绍了生物计算研究中所用到的研究技术和原理,包括DNA链置换技术、荧光标记技术、以及离子驱动的DNA结构转变等。此外,还对研究过程中用到的检测方法做了详尽的阐述,包括荧光检测、聚丙烯酰胺凝胶电泳技术等。最后,我们通过将这些技术和方法加以总结概括,并从这些技术和方法中得到启发,构建了以下几种逻辑门。本文具体的工作内容及安排如下:(1)我们首先简单介绍了 DNA计算及逻辑门的研究背景、意义和发展至今国内外研究现状,并充分说明了逻辑门的研究对于各个领域的重要性。通过这一章,可以充分理解本研究课题的重要作用,也向人们展示了 DNA计算的发展和应用前景。(2)我们主要总结了本研究所用到的研究方法和技术,主要包括设计和构建逻辑门过程中所应用到的纳米技术(荧光标记技术和分子信标技术等)和对于结果可行性验证所采用的实验技术(聚丙烯酰胺凝胶电泳和荧光检测),让人们对于一些重要的纳米技术和检测手段有初步了解,并为之后逻辑门的构建做了很好的铺垫作用。(3)我们介绍了一个双向汞银离子检测器以及DNA二级联逻辑循环以及放大模型,该模型主要是利用汞银离子可以特异性的绑定特定碱基对这一特性来构建的,该模型不仅可以快速、高敏感和特异性检测汞离子和银离子,还可以构建成两个“OR”逻辑门和一个二级联“AND”逻辑门,具有极高的应用价值。(4)我们主要利用氧化石墨烯的优势,构建了两个DNA逻辑门,该模型的构建旨在利用氧化石墨烯的特殊光学、化学性质来简单快速的检测DNA逻辑门的运算结果。此外,其中的“AND”逻辑门在实现链置换反应的过程中涉及到目标催化发夹组装的信号放大策略,该策略来可以用来检测疾病致病微量DNA。(5)我们介绍了两个光驱动逻辑门和一个链置换循环放大模型,该模型旨在利用MGCB的特殊光学特性来控制逻辑门的开启和关闭并通过两个逻辑门前后级联来实现目标DNA的循环利用,以此达到信号放大的功能。该模型具有极高的DNA检测通用性。(6)我们主要对本课题进行了总结和展望,包括该课题的创新点、优缺点以及后续的实验优化。DNA计算前景巨大,应用性高,我们期待研究者们可以将DNA计算实用化,并有朝一日会广泛应用于监控和改善身体健康状况。